欧阳志权，张友俊

（上海海事大学 上 海 2 01306）

随着科技的日新月异，人们对信息传输系统的带宽要求越来越高，这决定了无线电技术未来的演进方向仍将以频率为主。但是通信系统的带宽限制了无线通信系统的快速发展。打破这种带宽限制的关键，无疑正是已经具有一定历史并日趋成熟的超宽带（Ultra-Wideband）技术。自2002年美国联邦通信委员会（FCC）开放3.1GHz至10.6 GHz频段并允许其商用和民用至今，对宽带滤波器的研究已取得很大进步[1]。宽带滤波器的设计方案主要有两类：一是基于阶梯阻抗谐振器（SIR）和强I/O耦合设计[2]，这被称为经典的多模谐振滤波器；另一是以最佳分布式高通滤波器为基础[3]，并进一步将此应用于宽度滤波器的设计中[4]。尽管这两类滤波器已广泛应用于卫星、通信、雷达和医疗中，但除满足各系统的带宽要求外，低损耗及小型化的滤波器研究与设计[5]仍然是研究者们探索的重点。

通过合适的微扰及馈电方式，可以有效地激励起包括高次模在内的多种模式，高次模之间相互耦合，将有可能实现更宽的通带响应和更优异的性能[6]；同时电流的流经长度也与滤波器的中心频率息息相关，较长的流经长度将产生较小的中心频率。基于这种思想，本论文在折叠多模谐振器的基础上，提出了一种新型的设计方案，即在谐振器的边缘挖出两个矩形槽，从而增加电流的流经长度。同时，在I/O端采用缝隙耦合的馈电方式，进一步增强了高次模之间的耦合效果。这种方案不仅可以有效减小滤波器尺寸，同时也能有效改善滤波器性能。

1 滤波器结构分析

折叠多模谐振器[7]和单模谐振器具有相似的结构和谐振特点。折叠多模谐振器是将经典多模谐振器的两个翼折叠而成的[8]。这种做法使得折叠多模谐振器的高阻抗线和低阻抗线位于同一侧，它的最大优势是将其尺寸减小为经典多模谐振器长度的3/4，使得谐振器结构更为紧凑。

折叠多模谐振器是滤波器小型化设计的一大亮点，它的出现不仅减小了滤波器的尺寸，同时有效改进了滤波器的总体性能。本文所使用的折叠多模谐振器采用方形贴片结构，此结构的谐振器除了存在TM1，0，0和TM0，1，0这一对简并模外，还存在一些高次模分量。这些高次模分量的谐振频率[9]可由式（1）求解得出。

图1给出了折叠多模谐振器的等效传输电路，它对滤波器的结构提供了更深入的观察机制。如图1所示，与经典多模谐振器相比，折叠谐振器有一个长度为半波长的低阻抗线、两个同侧的1/4波长的高阻抗线以及两个能在通带内提供额外传输零点的开路支线，其长度为λ/4。

图1 经典谐振器（上）折叠谐振器（下）的几何结构Fig.1 Equivalent transmission line circuit.Classical resonator filter（Top）.Folded resonator filter （Bottom）

新型小型化滤波器结构如图2所示。由于电流的流经长度和滤波器的谐振频率直接相关，即在同一个滤波器内，电流的流经长度越长，表示工作波长越长，也就说明滤波器的谐振频率越低。又由于电流主要是沿着低阻抗线的边沿流经。因此，想到在折叠多模谐振器的上下两边刻蚀凹槽，同时减小谐振器长度，从而在保持谐振频率不变的情况下，达到减小滤波器尺寸的目的。

图2 滤波器基本参数Fig.2 Layout of the proposed filter with slot on the edge

2 仿真与测试结果分析

新型折叠多模微带带通谐振器设计中，所用的电磁仿真软件是ANSOFT公司HFSS 11.0，所设计的滤波器的中心频率为5.2 GHz，基板的介电常数为2.65，基板厚度为1.0 mm，其它参数 （单位：mm） 如图 2 所示，h=14.8，w=5.8，d=1.2，g=4.0，t=3.2，e=0.2，n=0.4，f=9.0 （文中不做说明时只改变其中一个参数的数值，其他参数保持不变）。

图3显示了不开凹槽和开凹槽两种情况下的频率响应。 图中实线是长度h为18.8且边缘未开凹槽时的频率响应，虚线是边槽开槽时的频率响应。可以清楚地看出，两种情况下滤波器的中心频率相同。同时，边缘开槽的滤波器在通带右侧拥有更加陡峭的衰减极点，这使得滤波器的通带选择性更好且3 dB带宽更宽。

通过对凹槽的尺寸及位置进行优化，在h为14.8 mm的滤波器上得到了与18.8 mm相同的中心频率，这充分说明边缘开槽可使滤波器的尺寸更小，且整体性能更优良。图4比较了谐振器的长度h变化时滤波器的频率响应。图中显示随着h的增大，滤波器的中心频率减小，通带左侧衰减极点略微有下降。结合图3的结果及理论分析，得出边缘凹槽的引入改变了电流的流经长度，使中心频率降低。

图3 有槽及无槽时的频率响应Fig.3 Frequency response with and without slot on the edge

图4 谐振器长度变化时的频率响应Fig.4 Frequency response of different length of resonator

图5 槽的深度变化时的频率响应Fig.5 Frequency response of different depth of slot

图5是凹槽深度g变化时的频率响应图。可见，g的增大会使滤波器得中心频率降低，同时g的变化对衰减极点、通带内最小插入损耗和最大回波损耗均会产生影响。不仅凹槽尺寸的变化影响滤波器性能，其位置变化也与滤波器性能紧密相关。凹槽位置主要影响最大回波损耗及通带右侧衰减极点。两槽相隔越远，最大回波损耗就会越大，通带右侧衰减也越陡峭。器实物如图6所示，并对此实物使用HP8722ES型矢量网络分析仪进行S参数测试。图7是最终的仿真和实测结果，由实测S参数可以看出：在2.55 GHz及7.41 GHz处有两个衰减极点，分别为-59.33 dB和-26.89 dB；在通带内有3个传输零点，最大传输零点达到-25 dB；中心频率为5.2 GHz。最终得出：实测与仿真结果一致，同时实测左侧衰减极点优于仿真。证实了本文所设计滤波器方案的可行性和实际滤波器的实用性。

图6 小型化滤波器实物图Fig.6 Photograph of the proposed filter

图7 小型化滤波器的实测与仿真结果Fig.7 Result comparison of simulation with measurement

3 结 论

基于新型折叠多模谐振器，提出了一种通带性能优良的小型化贴片微带带通滤波器。综合理论分析与实测结果，所提滤波器有效激励起了包括多种模式在内的高次模，高次模之间的耦合效果满足了宽通带要求。在中心频率为5.2GHz的通带内，滤波器的相对带宽比达到了70%，仿真和实测结果相一致，且符合实际应用要求。另外，新型折叠多模微带带通滤波器的尺寸进一步减小了，使其整体长度在折叠多模滤波器的基础上减小了N8。

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[3]Hong J-S，Lancaster M J.Microstrip Filters for RF/Microwave Applications[M].New York:Wiley，2001（1）.

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[5]Shaman H，Hong J S.A Novel Ultra-wideband bandpass filter with pairs of transmission zeroes[J].IEEE Microw.Wireless Compon Lett，2007，17（2）:121-123.

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[9]邓哲，程崇虎，朱洪波.一种多模微带方形贴片带通滤波器的设计[J].微波学报，2006，22（6）:55-58.

DENG Zhe，CHENG Chong-hu，ZHU Hong-bo.Design of a multi-mode microstrip square patch bandpassfilter[J].Journal of Microwaves，2006，22（6）:55-58.