一種結(jié)構(gòu)緊湊的寬阻帶短路枝節(jié)超寬帶濾波器

摘要：文章基于短路枝節(jié)模型設(shè)計(jì)了一個(gè)通帶范圍為3．1～10．6 GHz的超寬帶濾波器。濾波器兩側(cè)的半波長(zhǎng)傳輸線中集成低通單元以改善上阻帶特性，其余的半波長(zhǎng)傳輸線用蜿蜒線替代以減小縱向尺寸，緩解了傳統(tǒng)短路枝節(jié)超寬帶濾波器寄生通帶過(guò)近和縱向尺寸偏大的問(wèn)題。通過(guò)替代單元與半波長(zhǎng)傳輸線在通帶內(nèi)特性等效，設(shè)計(jì)過(guò)程大大簡(jiǎn)化。濾波器的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，在22．8GHz范圍內(nèi)上阻帶抑制優(yōu)于20dB。
關(guān)鍵詞：超寬帶；帶通濾波器；短路枝節(jié)

0 引言
在超寬帶系統(tǒng)中，超寬帶濾波器對(duì)于濾除噪聲和帶外干擾信號(hào)起著不可或缺的作用。傳統(tǒng)的濾波器理論適用于窄帶和中等帶寬(相對(duì)帶寬不超過(guò)20％)濾波器的設(shè)計(jì)，一般不能直接用來(lái)設(shè)計(jì)超寬帶濾波器。目前超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)主要基于兩種方法：一種是基于多模諧振器，另一種基于高低通濾波器級(jí)聯(lián)?；诙嗄ＶC振器實(shí)現(xiàn)的超寬帶濾波器具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，但是濾波器通帶和阻帶的性能不容易控制，往往要通過(guò)對(duì)多模諧振器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。通過(guò)高低通濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)的超寬帶濾波器性能容易控制，低通單元和高通單元的設(shè)計(jì)可以獨(dú)立進(jìn)行。
短路枝節(jié)線帶通濾波器具有工作帶寬寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)增加短路枝節(jié)數(shù)目即可滿足高選擇性的需求，但是這種濾波器寄生通帶距離工作頻帶較近，而且結(jié)構(gòu)不夠緊湊。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中引入了低通單元，并且使用蜿蜒線替代半波長(zhǎng)傳輸線，設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)上阻帶性能大大改善的超寬帶濾波器。

1 短路枝節(jié)帶通濾波器
短路枝節(jié)濾波器結(jié)構(gòu)通常被用來(lái)設(shè)計(jì)高通濾波器和帶寬較寬的帶通濾波器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的短路枝節(jié)濾波器中包含冗余傳輸線，采用不含冗余傳輸線的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，能夠用較少的短路枝節(jié)實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的濾波性能，且綜合出的傳輸線阻抗對(duì)應(yīng)的微帶線寬易于實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，若短路枝節(jié)電長(zhǎng)度為θ，則連接短路枝節(jié)的傳輸線電長(zhǎng)度為2θ。根據(jù)帶通濾波器的通帶范圍fl～fh確定fl對(duì)應(yīng)的短路枝節(jié)電長(zhǎng)度θl：

選擇既定的濾波函數(shù)后查表即可綜合出短路枝節(jié)線和連接它們的傳輸線段的阻抗值。利用式(2)求得圖1中各節(jié)傳輸線的阻抗值，列于表1。

Zi=Z0／yi
Zi,i+1=Z0／yi,i+1 (2)
其中yi，yi+1為濾波函數(shù)綜合出的原型參數(shù)。圖1中f0=(fl+fh)／2=6．85GHz為帶通濾波器的中心頻率，對(duì)應(yīng)的短路枝節(jié)TL1～TL6電角度為90°，對(duì)應(yīng)的傳輸線電角度為180°。

圖2是圖1中原型電路的S參數(shù)曲線。S21在2f0處達(dá)到極小，形成一個(gè)傳輸零點(diǎn)，使得上阻帶具有與下阻帶相當(dāng)?shù)膸庖种铺匦?；同時(shí)由于傳輸線的周期性，在2f0+fl～2f0+fh頻段內(nèi)形成濾波器的寄生通帶，減小了上阻帶的抑制帶寬。為此在濾波器結(jié)構(gòu)中加入低通單元以加強(qiáng)對(duì)上阻帶的抑制。同時(shí)由圖1可以看出，由于半波長(zhǎng)傳輸線較長(zhǎng)，濾波器結(jié)構(gòu)不夠緊湊。為此使用蜿蜒線取代半波長(zhǎng)傳輸線以得到更加緊湊的電路結(jié)構(gòu)，減小電路尺寸。