一種橢圓函數微帶低通濾波器的設計與實現

李嬋娟，傅世強，孫 爽

(大連海事大學 信息科學技術學院，遼寧 大連 116026)

微波濾波器是現代通信系統中重要部件之一，其的主要作用是抑制不需要的信號，讓需要的信號通過。濾波器的優劣直接影響到整個系統的性能。高性能的微帶低通濾波器常被用來抑制系統的諧波輸出?；赗ichards 變換與Kuroda 法則的微帶低通濾波器設計［1－2］和高低阻抗微帶低通濾波器的設計［3－4］是兩種常用的方法。然而，上述方法設計的濾波器一方面電路尺寸較大，過渡帶較寬;另一方面由于相鄰耦合線線寬不同產生不連續性，使帶內插入損耗較大。為此，文獻［5］和文獻［6］采用DGS 技術，使濾波器電路結構更加緊湊;文獻［7］運用分形結構設計成階躍阻抗微帶濾波器，改善通帶特性;文獻［8］采用扇形短截線結構設計微帶濾波器，縮小尺寸的同時提升了性能。但以上設計方法復雜，對于加工精度要求較高。

為克服傳統微帶濾波器結構不緊湊，阻帶衰減較慢，寄生通帶抑制不充分等缺點，本文采用微帶濾波器中比較成熟的高低阻抗線結構，設計并實現了一款截止頻率為1 GHz 的橢圓函數微帶低通濾波器。由于傳統的切比雪夫濾波器的頻率選擇性要變好，只能增加諧振單元數，這通常會增大插損，而橢圓函數濾波器的無限衰減極點可設在有限頻率處，則通過較少的諧振單元數便可大幅改善頻率選擇性，從而在減小電路尺寸的同時，提高濾波器的性能。

1 濾波器的設計

設計源和負載阻抗均為Z0=50 Ω，截止頻率fc=1 GHz，通帶波紋LAr＜0.2 dB，阻帶邊頻fs=1.2 GHz時最小阻帶衰減LAs＞30 dB 的微帶低通濾波器。選取橢圓函數濾波器結構形式C0620c［9］，經查表可知LAr=0.18 dB，ΩS=1.194，LAs=38.1 dB 的6 支路濾波器原型滿足設計要求，其LC 電路結構如圖1(a)所示，用微帶線實現該濾波器的等效電路結構如圖1(b)所示。

查表獲得橢圓函數低通濾波器的原型元件值:g0=1.000，gL1=0.8214，gL2=0.389 2，gC2=1.084，gL3=1.188，gL4=0.741 3，gC4=0.907 7，gL5=1.117，gC6=1.136。根據阻抗變換和頻率變換式(1)，可得實際LC 元件值:L1=6.536 5 nH，L2=3.097 2 nH，C2=3.450 5 pF，L3=9.453 8 nH，L4=5.899 1 nH，C4=2.889 3 pF，L5=8.888 8 nH，C6=3.616 0 pF。由式(2)可求得引入的衰減極點頻率在1.22 GHz 和1.54 GHz。

圖1 設計的橢圓函數低通濾波器結構

用高低阻抗線進行微帶濾波器物理實現，選取介電常數為2.65，損耗角正切0.002，厚度為2 mm 的微波介質板，考慮到加工可實現性，利用高阻抗線Z0L=100 Ω 等效串聯電感，低阻抗線Z0C=30 Ω 等效并聯電容，使用ADS LineCalc 計算出的微帶線物理參數，高阻抗線寬度WL=1.5 mm，截止頻率處介質波長λgL=210 mm;低阻抗線寬度WC=11 mm，截止頻率處介質波長λgC=197 mm。利用式(3)可初步計算等效微帶線的長度?？紤]到開路微帶線的終端電容效應，以及高低阻抗線不連續處的寄生參數影響，實際微帶線的長度還需修正計算，具體公式參見文獻［10］，得到初步電路尺寸之后，便可進行電路及電磁場仿真分析

2 仿真及實驗結果

在微波傳輸線中，利用不同特性阻抗的傳輸線作為集總參數來等效，原則上高阻抗值應盡量高，低阻抗值應盡量低，這樣對集總參數的接近程度越好，但也要兼顧到實際加工復雜性和功率容量的要求。根據計算得出的電路尺寸進行建模仿真分析，分別采用射頻電路分析軟件ADS 和三維電磁場仿真工具HFSS 進行優化設計，最終優化后得到濾波器的尺寸參數為lL1=11.8 mm，lL2=5.3 mm，lL3=21.5 mm，lL4=9.1 mm，lL5=15.2 mm，lC2=15 mm，lC4=16 mm，lC6=16 mm。圖2 給出了最終電路的仿真結果，從圖中可看出，設計的濾波器通帶內具有較小的插損，同時具有陡峭的過渡帶，并帶外實現了兩個預設的衰減極點。ADS 和HFSS仿真結果稍有偏差，這是因ADS 采用了電路級理想仿真，而HFSS 則是考慮了微帶線寄生效應的電磁仿真。

圖2 橢圓函數微帶低通濾波器仿真結果

根據優化后的電路尺寸進行了實物制作和實驗測量。圖3 是實際加工的橢圓函數微帶低通濾波器實物圖，圖4 是該濾波器經矢量網絡分析儀的實測結果曲線，可看出在1 GHz 處實測波紋衰減0.26 dB，阻帶的兩個衰減極點頻率稍有偏高。整體上實測結果和仿真結果具有較好的一致性，驗證了設計方案的可行性，實測和仿真曲線存在的偏差主要是由于N 型接頭和加工誤差等造成的。

圖3 橢圓函數微帶低通濾波器加工實物

圖4 橢圓函數微帶低通濾波器實測結果

3 結束語

本文采用高低阻抗線結構，設計了一款橢圓函數型微帶低通濾波器。給出了濾波器的設計思路和主要參考公式，并通過仿真軟件ADS 和HFSS 對其特性進行了仿真研究，采用微波材料板制作出濾波器實物進行了測試驗證，實測結果與仿真結果吻合較好，驗證了設計方案的可行性。所設計的濾波器，結構緊湊，插損小，具有陡峭的過渡帶，滿足實際工程應用。

［1］ 王漢江，吳姣，楊維明，等.基于Richards 變換與Kuroda規則的微帶低通濾波器的設計仿真［J］.湖北大學學報，2010，32(4):398－402.

［2］ 彭玉峰，林思宏，金龍，等.一種基于ADS 的微帶低通濾波器優化設計［J］.微波學報，2012(S1):213－215.

［3］ 左杜軍，齊中斌，蔣高橋.基于ADS 的微帶高低阻抗線低通濾波器的優化設計［J］.大眾科技，2010(10):25－26.

［4］ 王輝.基于階梯阻抗的發夾結構低通濾波器設計［J］.信息通信，2011(4):25－26.

［5］ 王智廣，韓亮，呂飛.基于DGS 微帶低通濾波器的改進設計［J］.電子科技，2011，24(10):17－18.

［6］ 魏峰，翟陽文，史小衛，等.一種新穎的缺陷地微帶線低通濾波器［J］.西安電子科技大學學報:自然科學版，2009(4):645－648.

［7］ 楊維明，吳姣，張勁，等.基于分形技術的階躍阻抗微帶低通濾 波 器 設 計［J］.電 波 科 學 學 報，2010，25(5):1000－1004.

［8］ 鄧世雄，陳星，李德治.扇形短截線結構的橢圓微帶低通濾波器設計［J］.電子測量技術，2012，35(8):35－37.

［9］ 甘本祓，吳萬春.現代微波濾波器的結構與設計［M］.北京:科學出版社，1974.

［10］Hong Jiasheng，Lancaster M J.Microstrip filters for RF/Microwave applications［M］.New York:John Wiley＆Sons，Inc，2001.