一種新型可調雙阻帶濾波器設計

馬戰剛 余小輝 于英信

（中國電子科技集團公司第十三研究所 河北省石家莊市 050000）

隨著通信技術和各種無線系統的迅猛發展，微波收發機輸出功率越來越大，對發射輸出端末級濾波器的插入損耗、耐受功率、阻帶抑制度、小型化等性能提出了更高的要求[1-4]。

目前微波系統中常用的濾波器均難以滿足以上要求，其特點如下：腔體濾波器、介質濾波器耐受功率大、駐波小、帶外抑制度高，但體積較大，不能兼容微組裝工藝，使用范圍受限；MEMS 濾波器體積小，但插入損耗大，并且耐受功率難以達到W 級；聲表、FBAR 濾波器體積小，但插入損耗大、駐波差、適用頻率較低。本設計中的雙阻帶濾波器可同時兼具以上各濾波器優點，滿足使用要求。

1 濾波器的理論分析與設計

1.1 阻帶設計

根據微帶線理論，微波帶阻濾波器和帶通濾波器一樣，是基于微波諧振器的諧振特性[5]進行開發設計的。圖1 為中心開路枝節加載諧振器示意圖，通過在一段傳輸帶線上并聯一段開路短截線構成。

圖1：開路短截線等效電路

開路短截線輸入阻抗值為：

式中：Z1為開路短截線的特性阻抗；θ1為開路短截線的電長度。

Zin=0 時，開路短截線對傳輸信號表現為抑制，產生傳輸零點[6]，可以得出：

由上可得，濾波器設計時可先在微帶傳輸線上加載開路短截線，當短截線電長度達到1/4 波長時，即可在對應頻率位置產生傳輸零點。通過調整短截線的長度即可自由調整傳輸零點位置，達到對所需頻率進行抑制的目的。通過仿真軟件對圖1 中短截線的頻率抑制特性進行仿真，結果如圖2 所示。

圖2：傳輸零點仿真結果

由圖2 可知，單級開路短截線所產生的阻帶頻率帶寬較窄，阻帶抑制度也較低。增加開路短截線數量，調整短截線長度使傳輸零點落在相近位置，可擴寬阻帶帶寬，提高阻帶抑制度。多級開路短截線濾波器仿真模型和仿真結果見圖3(a)、圖3(b)。

圖3

1.2 雙阻帶濾波器設計

使用相同的方法，可在其它頻率位置產生阻帶，實現雙阻帶濾波器的設計。通過進行優化仿真，可得雙阻帶濾波器的最終模型，仿真模型和仿真結果見圖4(a)、圖4(b)。

圖4

由圖4 可知，濾波器通帶為8～10GHz，并且分別在中心頻率18GHz 和27GHz 處產生了阻帶，抑制度分別為60dBc 和50dBc。

1.3 加工測試結果

設計中采用了RT6002 電路板，相對介電常數2.94，板厚0.254mm。濾波器實際尺寸為7mm*4mm，加工實物如圖5 所示。另外設計了測試工裝，以便于對濾波器進行指標測試。

圖5：雙阻帶濾波器實物圖

使用矢量網絡分析儀對濾波器指標進行測試，圖6(a)、圖6(b)分別為濾波器S 參數與群時延測試結果。

圖6

從圖6 中可以看出濾波器通帶頻率為8～10GHz，帶內插損小于0.2dB（濾波器測試損耗值0.26dB，輸入輸出連接器損耗0.1dB）；回波損耗為15dB；通帶內群遲延0.1～0.2ns；雙阻帶抑制度分別為59dBc@17.5～18.5GHz、43dBc@26.5～27.5GHz，可有效對兩段阻帶頻率進行抑制。將20W（43dBm）大功率信號加至濾波器輸入端，輸出功率為42.7dBm，濾波器大功率下插入損耗與小信號時測試結果一致。

3 結論

本文通過在微帶傳輸線上加載開路短截線的方式設計了一款具有超低插入損耗、高阻帶抑制、大耐受功率的雙阻帶濾波器。濾波器通帶覆蓋8GHz～10GHz，阻帶范圍可通過改變開路短截線長度進行自由調整。

經測試，該濾波器在20W 輸入功率時插入損耗0.2dB，雙阻帶抑制分別為59dB、43dB。此外，濾波器成本低、結構緊湊，可在大部分微波收發機及相關工程中應用。