一种新型窄带高性能带通滤波器的设计①

时间：2024-07-28

丁晨

(西安导航技术研究所，西安 710000)

0 引言

在现代通信系统的射频前端中，微波带通滤波器是必不可少的重要器件。在带通滤波器设计中，由于微带线的平面结构、加工方便及低成本等特点而成为最常用的微波滤波器实现方式。利用四分之一波长谐振器有效地抑制偶次谐波，并实现了整个滤波器的尺寸缩减是一种有效的方法[1,2]；而通过引入准集总(电容、电感)耦合结构，则可以实现滤波器尺寸的进一步缩减[3,4]。例如，使用略长于(或短于)四分之一波长的并联开路短截线实现了J变换器，K变换器则可以由一个金属化过孔来实现。然而在目前已发表的众多文献中，从滤波器设计的角度考虑，低插入损耗、窄的相对带宽、高选择性及紧凑的结构是几个相互矛盾的要素[5-9]，通常为了获得窄的相对带宽必然会导致插入损耗的增加，而高选择性也往往意味着滤波器整体尺寸的增加。

1 矩阵及网络变换

为了设计一款集低插入损耗、窄相对带宽、高选择性及小尺寸于一身的滤波器，本文提出了一种基于四级级联滤波器耦合矩阵网络变换的设计方法。使用基于平行耦合线和准集总结构电感耦合的四分之一波长谐振器进行滤波器的设计。最后，为了改善滤波器的带外特性，引入了带阻结构来抑制四分之一波长谐振器的高次谐波。理论分析与仿真测试结果的良好吻合证明了设计方法的有效性。

图1(a)为一般四级级联滤波器的耦合矩阵形式，其中kij代表谐振器i、j之间的耦合系数。可以看到，主耦合系数k12,k23和k34与交叉耦合系数k14是相反的性质。对其第一行和第一列进行矩阵变换，使k12和k14符号变性，可以得到图1(b)所示的矩阵，由矩阵基本变换性质可知，图1(b)矩阵与图一(a)中原始耦合矩阵是等效的，这意味着变换后的矩阵拓扑将有完全相同于原始矩阵的性质。

(a) 原始耦合矩阵 (b) 变换后的耦合矩阵图1 耦合矩阵的基本变换Fig.1 Elementary transformation of the coupling matrix

对于切比雪夫响应的带通滤波器，谐振器i与i+1之间的耦合系数可以由公式(1)计算得到：

(1)

其中gi、gi+1为切比雪夫低通滤波原型中的参数。JK变换器的值可以通过公式(2)得到：

(2)

其中bi为谐振器i的电纳斜率。从公式(1)、(2)可以发现，如果将电纳斜率设为1，耦合系数就可以用J变换器来代替，这样就可以得到图2(a)、(b)所示的滤波器网络，其中J01为外部耦合系数；Ji,i+1 表示耦合矩阵第i行，第i+1列的元素。根据文献[4]中的方法，进一步的网络变换如图中红色虚线框中部分所示。

(a) 四级级联滤波器的一般拓扑网络

(b) 基本矩阵变换后的滤波器拓扑网络

2 综合设计和实现

为了验证上述设计理论的有效性，使用上述方法设计了一款中心频率为1.575 GHz，相对带宽为9.5%的滤波器，图3(a)为该滤波器的示意图及详细尺寸参数，图中Ri，i=1,2,3,4表示第i级谐振器；Si，i=1,2,3，为抑制高次谐波的四分之一波长开路枝节。图3(b)和(c)分别为该滤波器的原始耦合矩阵与使用本文变换方法得到的耦合矩阵。图4为该滤波器的HFSS仿真结果图与最终加工测试结果对比图，可以看到中心频率1.575GHz处插入损耗S21只有0.89dB，回波损耗S11可以达到15dB，仿真与测试结果吻合良好，由于超宽带仿真设置问题，在带外仿真结果与测试结果存在一些偏差，但趋势基本一致，不会过多影响设计。充分证明了本文设计方法的有效性，并且整个滤波器的尺寸只有0.23λg×0.17λg，λg代表导波波长。

(a) 滤波器的示意图、实物图及详细尺寸参数

图4 滤波器的仿真与测试S参数对比图Fig.4 Comparison of the S-parameters between the simulation and measurement

4 总结

对高性能滤波器的研究近年来一直是一个研究热点，关于高性能滤波器的文章在国内外期刊上的刊登次数也非常多。可以说，关于高性能滤波器研究是一个很有价值的研究方向。本文对高性能带通滤波器从理论、设计、实现方面进行了研究，提出了一种低插入损耗、高选择性、结构紧凑的高性能窄带微波带通滤波器的设计方法-使用基于平行耦合线和准集总结构电感耦合的四分之一波长谐振器进行滤波器的设计方法。为了验证本文提出方法的有效性，设计了一个中心频率为1.575 GHz的滤波器并进行了加工测设，仿真与测试结果的良好吻合充分证明了设计方法的有效性。本文的研究成果希望能给后续研究工作者提供一些有用的参考，共同推进高性能带通滤波器的全面研究。