王路超 金 龙

(电子科技大学 成都 611731)

0 引言

随着通信技术的日益发展，高性能、小尺寸、宽通带的滤波器在现代无线通信系统中起着越来越重要的作用。微带环形谐振器可以满足这些要求，并广泛的应用在带通滤波器设计中［1］。虽然文献［2～4］中这些环形滤波器都具有很大的带宽，但是其阻带带宽都很小，这对抑制带外干扰信号是非常不利的。将多个滤波器级联可以增加滤波器阻带的带宽，但是这种方法会增大滤波器的尺寸。因此，在滤波器设计中，增大滤波器阻带带宽的同时减小其尺寸是一个难点。

本文以一种带有两个开路调节支节的正方环形谐振器［2］为基础设计了一个结构紧凑、宽阻带的宽带带通滤波器。在不改变谐振器奇偶模特性的条件下，对传统的正方形谐振环滤波器的馈电点和开路支节的位置进行调整。这种调整有助于我们将滤波器进行小型化处理。另外，在输入输出端口通过两个叉指耦合结构对滤波器进行馈电，叉指耦合结构能够提高阻带抑制度和阻带宽度，因此，本文中设计的宽带带通滤波器具有紧凑性和宽阻带的优点。

1 带有开路支节的正方环形谐振器

环形谐振器主要有圆环形谐振器和正方环形谐振器。当环形谐振器的周长是波导波长的整数倍时，谐振器就处于谐振状态［1］。带有两个λg/4开路调谐支节的正方环形谐振器如图1所示，环的周长为λg，方形环的每个边长为λg/4，λg为滤波器中心频率的波导波长，方环微带线的特性阻抗为Z1，其开路支节的特性阻抗为Z2;谐振器的输入和输出端口传输线的特性阻抗均为Z0。该谐振器是关于环的对角线对称的，可以将其等效成传输线模型来对其进行奇偶模分析［5］，文献［2］给出了其具体的分析过程。谐振器的中心频率是由正方谐振器的边长和开路调节支节的长度确定的，谐振器的通带由Z1和Z2的比值确定，即谐振器的两个传输零点由a=Zl/Z2确定。λg/4开路支节在环形谐振器传输零点处的电长度与特性阻抗比a=Zl/Z2的关系［6］:

图1 带有λg/4开路调谐支节的正方环形谐振器

本文将式(1)进一步推导，得到谐振器的两个传输零点的计算公式:f1和f2是位于中心频率两侧的两个传输零点。因此，当滤波器的中心频率选定后，可以通过改变a=Zl/Z2的值来调整传输零点f1和f2，进而改变谐振器的通带带宽。

2 滤波器设计与仿真

如图1所示，带有两个λg/4开路调谐支节的正方环形谐振器的馈电端口和开路支节分别位于方形谐振环各边的中点，谐振环关于正方形对角线对阵。两个馈电点间距的电长度，两个开路支节间距的电长度以及馈电点与开路支节间距的电长度均为λg/4。基于滤波器小型化的考虑，如图2所示，本文将改变谐振器的馈电和开路支节的位置，即馈电点和开路支节分别位于方形谐振环的四个顶点，并将谐振环的四段传输线进行折叠，两个开路支节也进行折叠。这种处理并不影响谐振环的奇偶模特性，谐振环的拓扑结构依然是对称的，两个馈电点间距的电长度，两个开路支节间距的电长度以及馈电点与开路支节间距的电长度依然为λg/4。这种处理显著的增加了谐振器的紧凑性。

图2 本文所设计的宽带带通滤波器

目前，增加环形宽带滤波器的阻带宽度和抑制度的常用方法是:将多个谐振环滤波器级联［7］起来，可以增大阻带带宽和提高阻带抑制度，但是这种方法不利于滤波器的小型化。或是在滤波器输入和输出端口引入马刺线［8］，通过在高频段引入一个零点来提高阻带抑制度，如果通过马刺线来抑制低频段阻带，马刺线的长度就会很大，也不利于滤波器的小型化。本文采用的提高阻带抑制度的方法是在滤波器的输入和输出端引入叉指耦合结构［9］来抑制阻带。如图3示，这个叉指耦合结构的作用相当于一个带通滤波器，使其通带大于环形宽带滤波器，并能在高频段产生一个传输零点，通过调节这个叉指耦合结构的长度LC可以调节其对滤波器高频段阻带的抑制度。而且由于滤波器是耦合方式馈电，其在f=0 Hz也会产生一个传输零点，对滤波器的低频段阻带起到了抑制作用。

本文设计了一个中心频率为4GHz，通带为3.1 GHz～4.9GHz，相对带宽为45%的带通滤波器。根据式(2)、(3)计算出开路调节支节的特性阻抗与环形谐振器的特性阻抗的比值a=Zl/Z2，当相对带宽为45%时，a=0.465。正方形谐振环的特性阻抗为50Ω，其每个边长和开路调节支节的长度均为中心频率对应波导波长的四分之一，即λg/4。所选取的介质基板的相对介电常数为9.6，厚度为0.8 mm。如图2所示，宽带带通滤波器各部分的具体尺寸:

图3 叉指耦合结构不同长度Lc时传输特性

通过电磁仿真软件HFSS13对滤波器进行仿真计算，通过将介质表面敷铜的电导率设置为σ=5.8×107S/m，介质损耗角tanδ=0.003，就可以把滤波器的导体损耗和介质损耗一并考虑进去，获得较为精确的计算结果。仿真计算得到的滤波器频率响应曲线和群时延如图4所示。仿真结果显示，滤波器的通带内插入损耗小于0.8dB，反射损耗均小于－12dB，群时延小于0.8ns，获得了预期的效果。本文所设计的滤波器和图1所示的传统方环滤波器的S参数对比如图4(a)所示，本文设计的滤波器在1～2.9GHz阻带抑制度均大于12dB，5.3～7GHz阻带抑制度均大于15dB。

图4 本文设计滤波器的仿真结果

3 结论

本文在一种传统的正方环形谐振器的基础上设计了一种紧凑型、宽阻带的微带带通滤波器，并对计算谐振器传输零点的公式做进一步推导，得到了关于谐振器传输零点的计算公式。基于正方环形谐振器的奇偶模特性，在不改变谐振器特性的条件下，将谐振器的馈电点和开路支节位置进行调整，以便将谐振器进行折叠，使其更加紧凑。通过叉指耦合结构的带通及在高频段产生传输零点的特性，将其引入到滤波器的输入和输出端口，改善了滤波器的阻带性能。仿真结果验证了预期的分析和计算的正确性。本文所设计的滤波器可应用于诸多无线通信系统中，具有广泛的应用价值。

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