微带滤波器分类和特点(微带滤波器的原理与设计)

0 引言

图2给出了半波长FSIR的结构示意图。其中，Y_in表示从FSIR的其中一端看进去的输入阻抗，Z_H和Z_L分别表示FSIR内部高、低阻抗段的阻抗，_H和_L分别表示FSIR内部高、低阻抗段的电长度。从而，Y_in可表示为：

取Y_in=0，得到谐振条件为：

L_s和L_i的数值主要由阶梯阻抗谐振器和FSIR的尺寸决定。由于阶梯阻抗谐振器和FSIR的物理尺寸相同，因此L_s和L_i在数值上差别微弱，可近似相等。另一方面，与阶梯阻抗谐振器相比，FSIR内部存在较强的容性自耦合效应，使得C_s和C_i之间存在较为显著的差异，最终导致阶梯阻抗谐振器和FSIR的谐振频率存在差别。下面采用数值仿真方法考察物理尺寸相同的阶梯阻抗谐振器和FSIR的本征谐振特性。

其次，根据图1中阶梯阻抗谐振器和FSIR的结构示意图可知，FSIR所占用的电路面积大约仅为传统阶梯阻抗谐分振器所占面积的一半。这主要是由于折叠形式的引入使得FSIR所占用的电路面积被充分利用，电路的平面利用率被极大提高。

设计该滤波器特点的中心频率为3.5 GHz，相对带宽为16%，回波损耗为20 dB。3个传输零点分别位于2.8 GHz、4.5 GHz和的7 GHz，其中，频率较低的两个传输零点主要用于构建滤波器的高选择性，而频率较高的传输零点主要用于抑制二次谐波。基于耦合矩阵综合方法，得到该滤波器的初始耦合矩阵为^[8]：

在带通滤波器的设计中，有两个关键要素：一是内部谐振器之间的相互耦合，二是外部品质因数(Q_e)。事实上，式(6)所示的耦合矩阵已经完备地给出了这两个关键要素。在图4(a)所示的滤波器结构中，其内部耦合系数主要由谐振器之间的间隔宽度和长度决定。间隔变窄或者变长，都会引起相邻耦合器之间的耦合强度增强，通带类和带宽增大。另一方面，Q_e可由公式Q_e=2f_c/BW_3dB计算得到，对应本文的四阶FSIR滤波器，Q_e=12.5。并且，图4(a)中，Q_e主要受输入/输出谐振器与端口微带线之间的锥形过渡影响。实际设计中，需要对锥形过渡的长度和缩口宽度进行调谐，以尽量优化滤波器性能。最后，利用三维全波电磁仿真软件ANSYS HFSS对该滤波器进行仿真和优化，优化后的几何尺寸为：e₁=0.2，e₂=0.18，e₃=0.2，e₄=0.36，b₁=11原理.2，b₂=0.2，b₃=5.1，a₁=0.2，a₃=1.45，wt=0.2，lt=2，ws=1.5，ps=2.0(单位：mm)。

3 实验结果与讨论

图7给出了四阶FSIR带通滤波器的测试结果。从图中可知，该滤波器通带内的最小插入损耗约为微带1.6 dB，通带内的回波与损耗优于15 dB，相对带宽为15.60%。注意到，实测带宽比仿真结果向下略微压缩了一些，这主要是由于加工误差和介质基板的介电常数抖动导致的。此外，从图7中还的可发现，在该滤波器的上下过渡带在500 MHz范围内迅速滚落了50 dB以上，相当于即滚降速度达100 dB/GHz。同时，在相对抑制度为33 dBc的情况下，该滤波器的阻带范围高达11.5 GHz，恰在工作频率的3次谐波处。最后，从图7中还可设计知，该滤波器具有3个传输零点，为该滤波器的高选择性和宽阻带提供了有力支撑。

为了更加直观地展示出本文提出的四阶FSIR带通滤波器的优点，表1总结了四阶FSIR带通滤波器与一些同类工作的性能对比。根据表1可知，与文献[9]和文献[10]相比，本文提出的四阶FSIR带通滤波器的相对电尺寸最为紧凑，并且具有最均衡的阻带宽度和抑制度综合性能。原理

4 结论

本文提出了一个工作在S波段的小型化四阶FSIR带通滤波器。通过FSIR和交叉耦合的应用，该滤波器具有小型化和高选择性等特点，并实现了对2次和3次谐波的良好抑制。显然，本文提出的四阶FSIR带通滤波器有望在多种微波毫米波电路与系统中得到应用。

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饶晓红1，倪 飘2，金海焱3，黄 涛3，黄永茂3

（1.重庆川仪软件有限公司 产品研发部，重庆401121；2.成都理工大学 信息科学与技术学院，四川 成都610059；

3.电子科技大学 信息与通信工程学院，四川 成都611731）