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一种新型微带发夹带通滤波器的设计解析
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2017-11-17
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1 引言
微波带通滤波器作为无线电通信和雷达系统中的关键无源器件，得到了广泛的研究。现在应用非常普遍的有波导滤波器、同轴滤波器、带状线滤波器和微带滤波器等等。随着无线电通信和雷达技术的发展，加上无线电通信和雷达系统指标要求的提高，在现代微波通信系统中，尤其是卫星通信和移动通信系统中，越来越需要带内低插入损耗、带外高抑制的高性能带通滤波器。通常，这种滤波器用腔体结构就可以满足要求，但是在考虑器件体积的情况下，往往首先考虑的是采用微带线结构来实现。尽管微带的损耗大，Q值低，结构不易调整，其某些指标（如通带损耗和阻带衰减）较低于其他形式的滤波器，但是由于微带在平面版图和制版上的方便，且易于和别的电路集成，所以微带带通滤波器仍在现代微波通信系统中得到广泛应用 。
常见的微带带通滤波器结构有平行耦合线型、交指型、梳状型和发夹式等。其中发夹式带通滤波器由于其结构紧凑，易于集成，广泛应用于各种微波通信电路中。传统的平面耦合带通滤波器设计一般都是根据滤波器的通带插入损耗和阻带的衰减指标，选择出适当的归一化低通原型，比如最大平坦型、契比雪夫型、椭圆函数型等，然后计算出阻抗矩阵元素和各耦合线段的奇模及偶模阻抗，最后根据奇偶模阻抗确定该滤波器的物理尺寸。然而传统设计方法复杂繁琐，精确度也不高，只能粗略的计算出模型的大概尺寸，之后必须反复进行调整和测试。近年来，随着计算机和应用软件的不断发展，微波滤波器的设计也进入了一个崭新的阶段。计算机模拟辅助设计绕开了复杂的理论计算和推导，利用电磁场仿真软件进行微波滤波器的设计。
本文以传统发夹滤波器结构为基础，对其结构进行改进，提出了一种变型的发夹微带带通滤波器的实现形式，与传统形式相比，新形式能使滤波器的通带两侧产生一对传输零点，从而增加了滤波器的带外抑制度，使该滤波器具有良好的矩形特性和选频特性。在本文的最后对提出的结构给出了设计实例，并利用CST软件对提出的结构进行了优化、仿真，证实了设计方法的正确性。
2 设计原理
要在滤波器的频率响应实现传输零点，通常需要在滤波器结构的谐振器之间实现交叉耦合，使得谐振器的相邻耦合和非相邻耦合之间相位反相，能量相同，从而相互抵消形成零点。传统发夹式滤波器结构如图1所示，发夹滤波器结构中的谐振单元是由半个波长微带构成的U形结构，和相邻的U形结构谐振器相互耦合构成。很明显，此种耦合结构主要依赖于相邻谐振器单元间耦合，非相邻谐振器单元间耦合较弱，所以该滤波器难以实现交叉耦合，滤波器的频率响应也就很难形成传输零点。
图 1 传统发夹式滤波器结构示意图
变型的发夹滤波器如图2所示，发夹滤波器结构中的谐振单元仍是由半个波长微带构成的U形结构，仍是由相邻的U形结构谐振器相互耦合，但与传统形式不同的是，此种耦合不再是朝一个方向的顺序耦合，而形成了间错的无序耦合，所以该滤波器实现了交叉耦合，滤波器的通带两侧也就产生了一对传输零点。s是耦合间距， l是微带线长，w是微带线宽。
微波带通滤波器作为无线电通信和雷达系统中的关键无源器件，得到了广泛的研究。现在应用非常普遍的有波导滤波器、同轴滤波器、带状线滤波器和微带滤波器等等。随着无线电通信和雷达技术的发展，加上无线电通信和雷达系统指标要求的提高，在现代微波通信系统中，尤其是卫星通信和移动通信系统中，越来越需要带内低插入损耗、带外高抑制的高性能带通滤波器。通常，这种滤波器用腔体结构就可以满足要求，但是在考虑器件体积的情况下，往往首先考虑的是采用微带线结构来实现。尽管微带的损耗大，Q值低，结构不易调整，其某些指标（如通带损耗和阻带衰减）较低于其他形式的滤波器，但是由于微带在平面版图和制版上的方便，且易于和别的电路集成，所以微带带通滤波器仍在现代微波通信系统中得到广泛应用 。
常见的微带带通滤波器结构有平行耦合线型、交指型、梳状型和发夹式等。其中发夹式带通滤波器由于其结构紧凑，易于集成，广泛应用于各种微波通信电路中。传统的平面耦合带通滤波器设计一般都是根据滤波器的通带插入损耗和阻带的衰减指标，选择出适当的归一化低通原型，比如最大平坦型、契比雪夫型、椭圆函数型等，然后计算出阻抗矩阵元素和各耦合线段的奇模及偶模阻抗，最后根据奇偶模阻抗确定该滤波器的物理尺寸。然而传统设计方法复杂繁琐，精确度也不高，只能粗略的计算出模型的大概尺寸，之后必须反复进行调整和测试。近年来，随着计算机和应用软件的不断发展，微波滤波器的设计也进入了一个崭新的阶段。计算机模拟辅助设计绕开了复杂的理论计算和推导，利用电磁场仿真软件进行微波滤波器的设计。
本文以传统发夹滤波器结构为基础，对其结构进行改进，提出了一种变型的发夹微带带通滤波器的实现形式，与传统形式相比，新形式能使滤波器的通带两侧产生一对传输零点，从而增加了滤波器的带外抑制度，使该滤波器具有良好的矩形特性和选频特性。在本文的最后对提出的结构给出了设计实例，并利用CST软件对提出的结构进行了优化、仿真，证实了设计方法的正确性。
2 设计原理
要在滤波器的频率响应实现传输零点，通常需要在滤波器结构的谐振器之间实现交叉耦合，使得谐振器的相邻耦合和非相邻耦合之间相位反相，能量相同，从而相互抵消形成零点。传统发夹式滤波器结构如图1所示，发夹滤波器结构中的谐振单元是由半个波长微带构成的U形结构，和相邻的U形结构谐振器相互耦合构成。很明显，此种耦合结构主要依赖于相邻谐振器单元间耦合，非相邻谐振器单元间耦合较弱，所以该滤波器难以实现交叉耦合，滤波器的频率响应也就很难形成传输零点。
图 1 传统发夹式滤波器结构示意图
变型的发夹滤波器如图2所示，发夹滤波器结构中的谐振单元仍是由半个波长微带构成的U形结构，仍是由相邻的U形结构谐振器相互耦合，但与传统形式不同的是，此种耦合不再是朝一个方向的顺序耦合，而形成了间错的无序耦合，所以该滤波器实现了交叉耦合，滤波器的通带两侧也就产生了一对传输零点。s是耦合间距， l是微带线长，w是微带线宽。
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jf_14790093
2022-03-27
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