1? 引言

微波濾波器是通信系統(tǒng)中抑制諧波和干擾的重要部件，其指標(biāo)影響整機(jī)的性能。通常，k波段的帶通濾波器都采用波導(dǎo)形式，有插損小,Q值高的優(yōu)點(diǎn),但是外形尺寸大，不容易直接集成在收發(fā)機(jī)的盒子中；其次，在設(shè)計(jì)中也有采用平面形式的帶通濾波器，但報(bào)道較少，雖然其體積相對(duì)較小，但是其插損較大，矩形度差。常見(jiàn)的微帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)有平行耦合、端耦合、發(fā)夾式、梳狀型和交指型等,這些結(jié)構(gòu)都是通過(guò)耦合線(xiàn)實(shí)現(xiàn)的。在以上各種結(jié)構(gòu)的濾波器電路中,平行耦合結(jié)構(gòu)由于其縱向長(zhǎng)度大約只有端耦合長(zhǎng)度的一半,且耦合縫更寬,在綜合設(shè)計(jì)得到所要求的原型濾波器參量時(shí)有比較大的結(jié)構(gòu)靈活度,適應(yīng)的頻帶范圍也較寬，但其輸入輸出不在一條直線(xiàn)上。同時(shí)為了得到很好的頻率選擇特性必須增加濾波器的級(jí)數(shù)，如此以來(lái)就增加了插入損耗和濾波器的體積，端耦合尺寸太大，發(fā)夾式、梳狀型和交指型等結(jié)構(gòu)對(duì)工藝要求高，且不適合用在毫米波波段。因此研究高性能小型化的k波段帶通濾波器具有重要的意義。

本文介紹了一種基于多徑傳輸而產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的小型化帶通濾波器。通過(guò)在頻率的高端引入一個(gè)傳輸零點(diǎn)從而改善了該濾波器的阻帶抑制特性和過(guò)渡帶特性。閉合的三角形諧振單元的使用大大的減小了該濾波器的尺寸。

2? 濾波器設(shè)計(jì)

圖1為該濾波器的基本諧振單元，選取閉合的三角形作為基本的諧振單元，通過(guò)合理的放置諧振單元的位置可以有效的減小濾波器的體積。由于是閉環(huán)諧振所以每個(gè)諧振單元的總長(zhǎng)度約為波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍。

l=nag ????? ?????????? （1）

其a為波導(dǎo)波長(zhǎng)，l為諧振單元的周長(zhǎng)。

如圖1所示，我們選擇厚度為0.254mm，介電常數(shù)為2.2的RT/Duroid5880介質(zhì)基片。通過(guò)使用三維場(chǎng)仿真軟件HFSS，利用本征模求解，得到l為12.5mm時(shí)對(duì)應(yīng)的諧振頻率為20.5GHz，為我們要求設(shè)計(jì)的頻率。于是我們選取了四個(gè)這樣的諧振單元構(gòu)成了結(jié)構(gòu)緊湊的濾波電路，每個(gè)諧振單元的周長(zhǎng)為12.5mm左右，如圖2所示，輸入輸出端口為標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆微帶線(xiàn)。

對(duì)于此種結(jié)構(gòu)濾波器，兩個(gè)端口之間的信號(hào)傳輸有3條路徑：1-2；1-3-2；1-4-2。由于場(chǎng)分量在中心區(qū)域比較集中，因此1-2在中心區(qū)域通過(guò)電容間隙耦合為主要傳輸路徑。對(duì)圖2所示直接抽頭式結(jié)構(gòu)的濾波器用HFSS進(jìn)行仿真我們得到如圖3所示的仿真結(jié)果。采用直接抽頭式時(shí)該濾波器矩形度差，其仿真結(jié)果相當(dāng)于一個(gè)3級(jí)的平行耦合線(xiàn)帶通濾波器。

圖1? 基本諧振單元

圖2? 直接抽頭濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3? 直接抽頭式濾波器仿真結(jié)果

對(duì)圖3所示濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，我們提出了一種電容耦合抽頭形式的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在輸入端50歐姆微帶線(xiàn)的末端連接一個(gè)長(zhǎng)度為中心頻率半波長(zhǎng)的諧振單元，再通過(guò)一個(gè)電容耦合把信號(hào)耦合到第一個(gè)三角形諧振單元上。由于半波長(zhǎng)諧振單元兩端的場(chǎng)分量比較強(qiáng)，因此分布在第一個(gè)三角形諧振單元兩角的場(chǎng)分量加強(qiáng)，即傳輸路徑1-3-2和1-4-2耦合系數(shù)增大，耦合電容C1和C3加大。如此以來(lái)，兩個(gè)端口之間有三條主要的傳輸路徑，調(diào)節(jié)各條傳輸路徑的耦合量，使得信號(hào)從一端口經(jīng)不同的路徑到達(dá)二端口時(shí)相位在某個(gè)頻率點(diǎn)上反向，即產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn)。調(diào)節(jié)這個(gè)傳輸零點(diǎn)的位置可以有效的改善該濾波器的矩形度。觀察圖4發(fā)現(xiàn)，我們對(duì)半波長(zhǎng)諧振器進(jìn)行了一小段彎折處理，這是為了不改變其固有諧振頻率的情況下調(diào)節(jié)它與第一個(gè)三角行諧振單元之間的耦合量。

圖4 ?電容耦合抽頭式濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

3? 結(jié)果

按照?qǐng)D4所示的結(jié)構(gòu)，在三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS里建立仿真模型并進(jìn)行優(yōu)化得到如圖5所示的仿真結(jié)果。該濾波器具有很好的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，可以很方便的進(jìn)行建模和優(yōu)化，優(yōu)化后得到其主要尺寸如圖4所示。其耦合縫寬為0.47mm，易于加工，避免了為減小插入損耗而采取緊耦合從而帶來(lái)加工困難的問(wèn)題。

圖5? 電容耦合抽頭式濾波器仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示此種新型結(jié)構(gòu)的濾波器中心頻率為20.3GHz，帶寬1GHz，帶內(nèi)插損小于0.6dB,回波損耗大于21dB，下邊帶過(guò)渡段在2GHz帶寬范圍內(nèi)衰減30dB，而在上邊帶則有一個(gè)傳輸零點(diǎn)。其總體尺寸為11×8.6mm2。

4? 結(jié)論

本文提出了一種可以應(yīng)用于毫米波波段的高性能小型化帶通濾波器結(jié)構(gòu)。這種新型的微帶三角形耦合帶通濾波器基于多徑傳輸原理，通過(guò)引入半波長(zhǎng)電容耦合諧振器和調(diào)整三角形諧振器之間的耦合距離，我們得到了很好的濾波器響應(yīng)曲線(xiàn)。此種微帶三角形耦合濾波器具有高性能、小尺寸、輕重量、低成本、易于制作等優(yōu)點(diǎn)，可以很方便的用到毫米波集成電路之中，具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。