一種結構緊湊的寬阻帶短路枝節超寬帶濾波器

摘要：文章基于短路枝節模型設計了一個(gè)通帶范圍為3．1～10．6 GHz的超寬帶濾波器。濾波器兩側的半波長(cháng)傳輸線(xiàn)中集成低通單元以改善上阻帶特性，其余的半波長(cháng)傳輸線(xiàn)用蜿蜒線(xiàn)替代以減小縱向尺寸，緩解了傳統短路枝節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(cháng)傳輸線(xiàn)在通帶內特性等效，設計過(guò)程大大簡(jiǎn)化。濾波器的實(shí)測結果與仿真結果一致，在22．8GHz范圍內上阻帶抑制優(yōu)于20dB。
關(guān)鍵詞：超寬帶；帶通濾波器；短路枝節

0 引言
在超寬帶系統中，超寬帶濾波器對于濾除噪聲和帶外干擾信號起著(zhù)不可或缺的作用。傳統的濾波器理論適用于窄帶和中等帶寬(相對帶寬不超過(guò)20％)濾波器的設計，一般不能直接用來(lái)設計超寬帶濾波器。目前超寬帶濾波器的設計主要基于兩種方法：一種是基于多模諧振器，另一種基于高低通濾波器級聯(lián)?；诙嗄ＶC振器實(shí)現的超寬帶濾波器具有體積小、結構緊湊的優(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)對多模諧振器結構參數進(jìn)行反復調試。通過(guò)高低通濾波器級聯(lián)實(shí)現的超寬帶濾波器性能容易控制，低通單元和高通單元的設計可以獨立進(jìn)行。
短路枝節線(xiàn)帶通濾波器具有工作帶寬寬、結構簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)增加短路枝節數目即可滿(mǎn)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，而且結構不夠緊湊。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，本文在傳統結構中引入了低通單元，并且使用蜿蜒線(xiàn)替代半波長(cháng)傳輸線(xiàn)，設計了一個(gè)結構緊湊，同時(shí)上阻帶性能大大改善的超寬帶濾波器。

1 短路枝節帶通濾波器
短路枝節濾波器結構通常被用來(lái)設計高通濾波器和帶寬較寬的帶通濾波器，具有結構簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。傳統的短路枝節濾波器中包含冗余傳輸線(xiàn)，采用不含冗余傳輸線(xiàn)的優(yōu)化結構，能夠用較少的短路枝節實(shí)現與傳統結構相同的濾波性能，且綜合出的傳輸線(xiàn)阻抗對應的微帶線(xiàn)寬易于實(shí)現。如圖1所示，若短路枝節電長(cháng)度為θ，則連接短路枝節的傳輸線(xiàn)電長(cháng)度為2θ。根據帶通濾波器的通帶范圍fl～fh確定fl對應的短路枝節電長(cháng)度θl：

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

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

圖2是圖1中原型電路的S參數曲線(xiàn)。S21在2f0處達到極小，形成一個(gè)傳輸零點(diǎn)，使得上阻帶具有與下阻帶相當的帶外抑制特性；同時(shí)由于傳輸線(xiàn)的周期性，在2f0+fl～2f0+fh頻段內形成濾波器的寄生通帶，減小了上阻帶的抑制帶寬。為此在濾波器結構中加入低通單元以加強對上阻帶的抑制。同時(shí)由圖1可以看出，由于半波長(cháng)傳輸線(xiàn)較長(cháng)，濾波器結構不夠緊湊。為此使用蜿蜒線(xiàn)取代半波長(cháng)傳輸線(xiàn)以得到更加緊湊的電路結構，減小電路尺寸。