温金芳， 刘芳(黄淮学院 信息工程学院，驻马店 463000)

一种紧凑发夹型SIR类椭圆函数滤波器的设计

温金芳， 刘芳
(黄淮学院 信息工程学院，驻马店 463000)

基于发夹型阶跃阻抗谐振器(Stepped Impedance Resonator，SIR)结构和类椭圆函数提出一种新的小型化、高性能的带通滤波器的设计方法。经ADS(Advanced Design System)电磁计算软件建模仿真优化，并经加工实物测试。结果表明：提出的滤波器能很好地满足设计指标的要求。不仅具有选择性好、带外抑制性高、尺寸小、成本低、易于集成等优点，而且能够满足现代通信系统对小型化高性能滤波器的要求，在微波平面电路的设计中有着很好的应用前景。

阶跃阻抗谐振器； 类椭圆函数； 小型化； 高选择性

Abstract： A novel method is presented for miniaturization and high performance of band-pass filter design by using hairpin SIR (stepped impedance resonator) structure and quasi-elliptic function. After modeling, simulation and optimization by ADS (Advanced Design System) electromagnetic computing software, the proposed filter is fabricated and measured by pratical operation. The results show that the proposed filter can well meet the requirements of design indeces. It not only has advantages of small size, good selectivity, high out-of-band suppression, low cost, ease of integration, but also can meet the requirements of modern communication system for miniaturization of high-performance filter. Hence, it has a good application prospect in the design of microwave planar circuits.

Keywords： SIR; Quasi-elliptic function; Miniaturization; High selectivity

0 引言

射频滤波器是无线通信系统中重要的无源器件。无线通信系统对射频滤波器要求越来越高，因此小体积、高选择性和易集成的带通滤波器成为了研究的重点[1]。研究减小滤波器尺寸的途径有将半波长谐振器折叠成发夹型谐振器，在主传输线上引入分布电容形成慢波结构[2]等。研究提高滤波器选择性的途径有在通带旁边增加传输零点，增加滤波器的节数，使用高Q值的谐振器[3]等。

本文设计了一款新型的紧凑型SIR椭圆函数带通滤波器，可广泛应用于无线局域网802.11b/g系统的。与传统滤波器相比，该滤波器具有紧凑的电路结构和高的频带选择性，可满足无线通信系统对滤波器的要求。

1 发夹型SIR谐振单元

SIR谐振单元是由多节不同特性阻抗的传输线级联而成，改变传输线的阻抗就可以改变此谐振单元的谐振频率和第一杂散频率的相对位置，而传输线的阻抗与线的粗细有关。因此，调节SIR谐振器传输线的粗细比可实现谐振器小型化和高选择性[4]。基于此原理，本文提出的折叠发夹型谐振单元结构，如图1所示。

图1 发夹型SIR结构示意图

2 椭圆函数滤波器设计原理

为满足滤波器高选择性要求，设计函数需采用类椭圆函数。通过在不相邻的谐振器间形成交叉耦合实现，这种方式在要求小型化的电路中具有明显的优势[5]。为简化设计难度，采用相同的谐振单元提出的类椭圆函数带通滤波器的拓扑结构，如图2所示。

图2 四阶类椭圆函数滤波器拓扑结构

耦合系数是影响滤波器性能指标的重要参数，为了实现传输零点，需同时采用电耦合、磁耦合和混合耦合3种耦合类型。拓扑结构中，谐振回路1、4之间产生电耦合，对应的耦合系数为M14；谐振回路2、3之间产生磁耦合对应的耦合系数为M23；谐振回路1、2和谐振回路3、4之间都是电磁混合耦合，对应的耦合系数为M12和M34。则回路频率响应与耦合系数的关系可写为式(1)。

(1)

其中，FBW为相对带宽系数，J为特征变换器。

3 滤波器设计

采用相对介电常数2.65、厚度1 mm的聚四氟乙烯(PTFE)高频微波电路板为基板，设计中心频率f=2.5 GHz，驻波比小于2，带宽小于4%，通带内插入损耗小于-3 dB的带通滤波器根据设计原理，在软件ADS2015对滤波器进行建模，仿真模型，如图3所示。

图3 ADS仿真电路模型

仿真优化后的谐振单元参数为：

W1=1.187 mm，L1=6.124 mm，W2=0.91 mm

L2=2.56 mm，g=0.173 mm

滤波器选用带内波纹0.5 dB的类椭圆函数得出谐振单元数N为4，低通原型中各元件值：g0=1，g1=1.142 5，g2=2.055 8，J1=-0.082 8，J2=1.130 7。根据带通滤波器与低通原型的关系，采用MATLAB编程计算出满足该指标滤波器的耦合系数矩阵为：

根据耦合系数，可求出图3中各谐振单元间的间距的初始值。仿真时，采用原理图版图联合仿真功能对滤波器结构参数进一步的仿真优化，如图4所示。

图4 版图仿真S参数

从图4仿真结果可得出，该滤波器工作在2.45～2.55 GHz，通带内损耗小于1 dB，在2.32 GHz和2.60 GHz处分别有一个-55 dB和-45 dB传输零点，带外的抑制也优于35 dB，表明滤波器具有很好的选择性。滤波器实物，如图5所示。

图5 滤波器实物图

外层金属盒可屏蔽外部电磁干扰的影响。滤波器的尺寸为40 mm×35 mm(0.33 λg×0.29 λg)，λg为各滤波器中心频率对应的导波波长，与文献[3]相比，实现了滤波器的小型化。

使用矢量网络分析仪N5230对滤波器实物进行测试，结果，如图6所示。

(a)S11曲线

(b)S21曲线

结果显示滤波器工作在2.5 GHz，相对带宽4%；通带内曲线平坦，插入损耗小于3 dB；在2.35 GHz和2.66 GHz处分别有一个大于-45 dB的传输零点，带外抑制优于35 dB。结果表明该滤波器具有良好的通带和阻带特性，即具有很好的选择性。而且，实物测试与版图仿真基本一致，很好地实现了设计的要求。

5 总结

本文设计了一款新型的紧凑型带通滤波器。该滤波器不仅实现了小型化，而且具有很好的带外谐波抑制功能、陡峭的截止频率及较好的回波损耗，能够满足现代通信系统对小型化高性能滤波器的要求。

[1] Hong Jia-Sheng, Microstrip Filters for RF/Microwave. Applications(2nd)[M]. New York: John Wiley&Sons Inc.,2011：31-160.

[2] Sharma G, Sharma S, Bhullar S, et al. Design and Simulation of Compact Hairpin Band Pass Filter[J]. International Journal of Modern Communication Technologies & Research (IJMCTR). 2014, 2(4):2321-0850.

[3] Zhao Liangliang, Yang Biao. Design of Compact Elliptic-function Low-pass Flters Using Stepped-impedance Hairpin Resonators [C]. 2015 IEEE 12th Interational Conference on Electronic Measurement & Instruments, 2015: 974:978.

[4] Mohammad Y, Hadi A, Ramezanali S. Design and Integration of a High-order Hairpin Bandpass Filter with a Spurious Suppression Circuit [C]. 2015 Loughborough Antennas & Propagation Conference (LAPC).2015.1-10.

[5] Enokthara A, Setsune K. New Cross-coupled Filter Design Using Miniaturized Microstrip Hairpin Resonator[J]. IEEE Trans. Microw Theory Tech., 2008，48(12):235-237.

ADesignofCompactHairpinSIRFilterwithQuasi-ellipticFunction

Wen Jinfang1, Liu Fang2
(College of Information Engineering, Huanghuai University, Zhumadian 463000, China)

TP311

A

2017.06.21)

国家自然科学基金青年基金(61304172)，黄淮学院青年教师科研能力提升计划项目(201613)

温金芳(1985-)，女，山西平遥人，助教，研究生，研究方向：微波器件方向的研究。 刘 芳(1973-)，女，河南驻马店人，副教授，博士，研究方向：无线通信方向的研究。

1007-757X(2017)09-0001-02