小型发夹型SIR微带带通滤波器的设计(转载).pdf

小型发夹型小型发夹型 SIR 微带带通滤波器的设计微带带通滤波器的设计 张 陈 龙 摘摘 要要：：针对高性能射频滤波器结构复杂，尺寸大的问题，本文基于阶梯阻抗谐振器设计制作了一个中心频率为 10.2GHz 的小 型发夹型微带带通滤波器，通过把半波长阶梯阻抗谐振器耦合结构折合成“U”字形，即发夹型结构改善了滤波器性能和缩小 了滤波电路尺寸，通过软件仿真和对制作的硬件电路测试的结果表明，设计制作的滤波器在 9.6GHz 到 10.6GHz 范围内的插入 损耗小于 0.7dB， 带宽为 1.71GHz， 通带中的11S-10dB 因此， 该滤波器有效地抑制了寄生通带， 而且结构更简单， 尺寸更小 关键词关键词: :阶梯阻抗谐振器 带通滤波器 寄生通带 发夹型 阻带抑制 Abstract:For the complicated structures and big dimensions of high performance filter, a compact hairpin microstrip band-pass filter centered at 10.2 GHz is designed and developed based on stepped impedance resonator (SIR) .The performance of the filter is improved and the dimension is reduced by folding the half wavelength SIR's coupling structure to 'U' shape ,which is hairpin .The results of simulation and measurement of the filter demonstrate that the insert loss is less than 0.7 dB in the frequency from 9.6GHz to 10.6GHz ,the bandwidth is 1.71 GHz ,the S11 in the pass band is less than -10 dB. It can be seen that this filter is not only suppress the spurious band effectively but also has a simpler and smaller structure . Key words: SIR;band-pass filter;hairpin;spurious band;stop band suppression 1.1. 引言引言 滤波器及其设计方法的发展已有相当长的历史，从电信发展的早期，滤波器就在电路中扮演着十分重要的角色，并随着通 信技术的发展而取得不断的进步。

滤波器不仅已经成为通信领域、同时也是其他电子设备中不可缺少的器件，其性能的优劣往 往会直接影响整个通信系统的质量 发夹微带单元的结构通常如下：将半波长的平行耦合微带谐振器变形为 U 形、类 U 形或者 S 形结构，通过改变相邻谐振器 间的耦合方式及耦合度来调节滤波器的性能[1-3]发夹型滤波器是半波长耦合微带滤波器的一种变形结构，是把半波长耦合结构 折合成Ｕ字形的结构，因此与交指式，梳状线式等其他微波滤波器结构相比，其电路结构更加紧凑，具有体积小，微带线终端 开路无需过孔接地，易于制造等优点发夹型滤波器耦合拓扑结构属于交叉耦合，交叉耦合实质是从信号源到负载端有不止一 条耦合路径，包括主耦合路径和相对较弱的辅耦合路径，任意两谐振器之间都可以产生耦合[4]相对于级联耦合，交叉耦合的 最大优点是能够在通带附近的有限频率处产生传输零点，因而滤波器的带外抑制能力将获得极大提高，使用交叉耦合的谐振器 滤波器比普通级联型的滤波器具有更好的频率选择性，同时可以减少所需谐振器的数目 无线通信系统的广泛应用使得研究具有小尺寸与高性能特点的微波带通滤波器具有非常重大的意义，微带带通滤波器具有 加工简单成本低，适宜与其他器件的集成以及适合批量加工等特点，但是由于其分布参数传输线的本质滤波器的频率，响应在 主通带的整数倍上都会出现寄生通带。

SIR 是指由两个以上具有不同特征阻抗的传输线组合而成的横向电磁场或准横向电磁场 模式的谐振器虽然 SIR 的结构已被广泛理解，但其应用到滤波器和振荡器中却很少见，最主要原因是现在对 SIR 的技术重要 性还没有足够的重视， 另一个原因是设计的方便性 现在， 在射频和微波领域中针对每一种不同的应用和对谐振器的不同要求， 选择适合的谐振器成为必须阶梯阻抗谐振器(stepped impedeance resonator)SIR 结构的特点就在于通过改变其阻抗比，不仅可 以减小尺寸，还可调整寄生通带的位置从而改善阻带性能[5-6] 因此，相对于其他滤波器结构，发夹型 SIR 滤波器具有更加紧凑的电路结构尺寸小，而且结构简单，还能很好地抑制寄 生通带 2. 2. 发夹型发夹型 SIRSIR 滤波器的设计滤波器的设计 滤波器指标： 中心频率为 10.2GHz； 相对带宽为 17％； 插损为 0.7dB； 带外抑制度为 12GHz 时衰减大于 30dB 2.1 HFSS2.1 HFSS 建模、仿真建模、仿真 选择发夹型 SIR 结构，基片的选择为 Taconic TLX(tm)，25. 2r，H=0.787mm，抽头与 50 欧姆微带线匹配。

经计算确定 mmWC9 . 1，mmWt66. 0，mmSC3 . 0，3 . 0S，mmLC5 . 6，mmLt1 . 8，mmG16. 2，mmW2 . 2，mmt20基于以上理论获得的滤波器电路如图 1 所示，在 ANSYS 公司的 HFSS 软件中进行仿真与优化，得最初仿真结果如图 2 所示 图 1 发夹型 SIR 微带带通滤波器 图 2 最初仿真图形 2.2 SIR2.2 SIR 微带带通滤波器的优化微带带通滤波器的优化 经优化后得到的滤波器各参数值分别为：mmWC5 . 1，mmWt8 . 0，mmSC3 . 0，27. 0S，mmLC05. 7，mmLt24. 6， mmG81. 1，mmW2 . 2，mmt20图 3 所示为优化后的图形： 图 3 优化图形 所设计的发夹型 SIR 滤波器尺寸小于mmmm 1551， 由优化图形可以看出该滤波器的带宽约为 1.71GHz， S21的平坦度较好， 且在 9.4GHz 到 11.04GHz 范围内 S11插入损耗大于-2dB，在 9.45GHz 到 10.95GHz 频率范围内的 S11≤-10dB，9.55GHz 到 9.68GHz 频率范围内的 S11≤-20dB。

3. 3. 测试及存在的问题测试及存在的问题 通过仿真优化得到所需设计的 SIR 微带带通滤波器的确切尺寸，并根据该尺寸加工所得到的发夹型 SIR 滤波器的实物图及 其测试结果分别如图 4 和图 5 所示 （a）正面图形 （b） 反面图形 图4 发夹型 SIR 滤波器实物 S11 S21 S11 S21 图 5 测试结果 由图 3 和图 5 的结果可以看出滤波器的带内插损的仿真结果由于实测结果有些差距，但 S21的插损与仿真结果较为吻合， 而且实测滤波器的中心频率比仿真结果偏高约 260MHz所测结果与滤波器指标相比，曲线并不理想，出现这样的结果原因可 能有： 1、HFSS 仿真软件本身带来的误差； 2、微带线的加工精度不够精确； 3、介质基板的介电常数不够稳定； 4、SMA 接头与微带线的衔接不够好； 5、测试环境不稳定也会影响测试结果； 6、实物加工中采用的介质基板厚度可能不够均匀； 7、Lc、Lt、Sc的取值精度均会影响滤波器的中心频率，使其发生偏移 4. 4. 小结小结 本文先讨论了半波长型 SIR 的结构形式和基本特性，用三个发夹型半波长 SIR 并根据微带发夹型带通滤波器的设计原理得 出所设计滤波器的参数初值，再利用微波仿真软件(HFSS)通过初步仿真及不断优化完成了满足设计目标的微带滤波器各参数值 的确定。

由于受板材的介电常数不稳定，微带线加工的精度以及 HFSS 仿真软件本身带来的误差所影响，进行实物测试时，滤 波器通带内衰减要比仿真时稍大一些， 有时测试环境的不稳定也是因素之一， 但这决不影响仿真结果对设计方法正确性的验证， 实验测量结果和 HFSS 仿真结果部分吻合该滤波器结构简单，尺寸小，低的插入损耗，非常适合用于对紧凑性要求高的通信 场合 从优化出的图形中可以看出，虽然 S21的平滑度较好，但是还存在一定的缺陷，比如在 3dB 带宽范围内 S21的插入损耗还是 有略微差别的，而且 S11的带外抑制度较低 现在国外关于 SIR 的研究已卓有成效，国内也有刊物发表，但是滤波器结构和性能优化在 SIR 领域还有很多问题有待进一 步的探索和解决，随着人们对 SIR 的认识程度的提高和现代仿真工具应用的普及，相信以后会有越来越多的应用 SIR 结构的产 品出现 参考文献参考文献 [1] MARIMUTHU J,ESA M. Harmonic suppressed single groove PCML band-pass filter [C]. Proceeding of the 39th European Microwave Conference.2009,779-782. [2] ZHANG X Y, XUE Q. High-selectivity tunable band-pass filters with harmonic suppression[J].IEEE Transaction Microwave Theory and Techniques,2010,58(4):964-969. [3] 周春霞,夏侯海,左涛,等.自均衡双通带微带滤波器综合与设计[J].电子学报,2009,37(12):2783-2786. [4] 张俊哲. Ku 波段发夹型滤波器的设计[J].广东通信技术,2009,2:76-79. [5] HONGN J S LANCASTER M J. Micro-strip filters for RF/Microwave applications[M].New York:John Wiley and Sons Inc, 2001. [6] 毛睿杰,唐小宏,马海虹.基于 HFSS 设计发夹形 SIR 带通滤波器[J].2005 全国微波毫米波会议论文集,2005,1209-1212. 。