微带双模带阻滤波器
微带双模带阻滤波器
刘远庆 , 李宏军
(中国电子科技集团公司 第十三研究所 , 石家庄 050051)
摘要 : 滤波器的小型化是滤波器设计中的一项重要技术。采用微带线双模谐振器设计的带阻
滤波器 , 因双模谐振器的双模谐振效应 , 不但可以减少谐振器的数目 , 同时还可以省去λ/ 4 波
长传输线 , 从而在很大程度上减小了滤波器的体积。采用耦合矩阵设计带阻滤波器的方法 , 结合
实际工程需要设计并实现了一个采用双模微带线谐振器的带阻滤波器。实测结果与理论推导取得
了很好的一致 , 验证了设计方法的可行性和方便、快捷、准确的特点。
关键词 : 带阻滤波器 ; 耦合矩阵 ; 微带双模
中图分类号 : TN713 文献标识码 : A 文章编号 : 10032353X (2008) 0620539203
Microstrip Dual Mode Band2Stop Filter
Liu Yuanqing , Li Hongjun
( The 13th Research Institute , CETC , Shijiazhuang 050051 , China)
Abstract : Filter miniaturization is an important technology in filter design. Because of the dual mode
resonating effect , microstrip dual mode band stop filter can not only reduce its resonator number but also
reduce λ/ 4 transmission line , to minimize filter volume. Based on coupling matrix method a band stop filter
was designed. Combining actual projection acquisition , a microstrip dual mode filter was designed. The
measurement result proves well with theoretically and software simulation result , it verifies the coupling matrix
method for band2stop filter design is easy and accurate.
Key words : bandstop filter ; coupling matrix ; microstrip dual mode
EEACC : 1270
0 引言
带阻滤波器非常适于在宽频范围滤除某窄带频
谱 , 常用于无线通信系统中抑制高功率发射机、非
线性功放的杂散频谱以及带通滤波器的寄生通带
等。传统的带阻滤波器通常由单模谐振器来构成 ,
相邻谐振之间往往需要 1/ 4 波长传输线连接 , 体积
较大。
多模滤波器技术不但已成功应用于带通滤波
器 , 还可实现特殊滤波性能 , 应用于带阻滤波器设
计。采用微带线双模谐振器设计的带阻滤波器 , 可
以省去 1/ 4 波长传输线 , 大大减小了体积[1] , 常被
用于微波集成电路以及便携设备中[2] 。传统采用影
像参数来设计滤波器的方法 , 难以适应现代复杂拓
扑结构的滤波器设计 , 而采用耦合矩阵的方法在现
代滤波器设计中变得越来越重要[3] 。
目前 , 国内对微带线带阻滤波器的报道尚不
多 , 对于带阻滤波器的设计方法也尚不成熟 , 这有
待于深入地研究和探讨。本文在多模滤波器技术的
基础上 , 结合采用耦合矩阵设计滤波器的方法 , 设
计了一种双模微带线带阻滤波器[4] , 该滤波器采用
正方形环谐振器 , 耦合实现简捷 , 可很好地满足工
程需要。
1 带阻滤波器耦合矩阵的综合
在采用耦合矩阵设计带通滤波器的方法中 , S
参数有以下关系[3]
S11 (ω) = FN (ω)
EN (ω) , S21 (ω) = PN (ω)
εEN (ω) (1)
式中 , FN (ω) 和 PN (ω) 分别为选定滤波函数
集成电路设计与开发
Design and Development of IC
June 2008 Semiconductor Technology Vol133 No16 539
CN (ω) 的分子分母 , 即 CN (ω) = FN (ω)
PN (ω)
并且有
S2
21 (ω) = 1
1 +ε2 C2
N (ω) =
1
(1 + jεCN (ω) ) (1 - jεCN (ω) ) (2)
带通滤波器的 S11多项式表达式对应于带阻滤
波器 S21的多项式表达式 , 带通滤波器的 S21多项式
表达式对应于带阻滤波器 S11的多项式表达式 , 于
是得到带阻滤波器的多项式表达式[3]
S21 (ω) = FN (ω)
EN (ω) , S11 (ω) = PN (ω)
εEN (ω) (3)
同样对于带阻滤波器的无耗网络 , 根据 S11与 S21之
间的关系有
S2
11 (ω) = 1
1 +ε2 C2
N (ω) =
1
(1 + jεCN (ω) ) (1 - jεCN (ω) ) (4)
其中 , 关于 EN (ω) 的表达式将在由 CN (ω) 推
导 S21的多项式表达式的过程中得到。
根据所需设计指标 , 选择恰当的滤波函数可以
推导得到 S 参数的多项式表达式 , 同时 , 可以通
过该滤波器 S 参数推导得到该滤波器二端口网络
的 Y 参数。另一方面 , 直接通过滤波器的耦合谐振
网络模型可以推导得到滤波器二端口网络的 Y 参
数。将这两种方法推导得到的 Y 参数相等就可以
得到耦合系数与符合设计指标要求的滤波器函数多
项式之间的关系。最后 , 再结合实际的滤波器拓扑
结构化简推导得到的耦合矩阵并借助电磁场仿真软
件就可以得到实际的滤波器物理结构。
2 带阻滤波器的结构
微带线多模谐振器有多种结构 , 如正方形、圆形
等[5] , 如图 1 所示。但是相比之下 , 方形环和圆形环
双模谐振器不但尺寸小 , 并且其 Q 值较高。图 1 (e)
中被称为折叠环双模谐振器体积最小 , Q 值也较高 ,
但是其结构较为复杂 , 建模以及采用软件优化仿真较
为困难 , 且对加工精度要求相对较高 , 不利于实际工
程中阶数较多的滤波器设计。
相比之下 , 本文选用了如图 2 所示的方环谐振
器来实现所需的滤波器。图 2 (a) 为具体的滤波
器物理结构 ,图2 ( b) 为该滤波器的拓扑结构 。在
图 1 几种不同结构的微带线双模谐振器
Fig11 Several kinds of microstrip dual mode resonato
图 2 (a) 中 , L 及 W 直接关系着谐振器的谐振频
率 , 间隙的大小关系着谐振器与传输线之间的耦
合。方环中右上角的小方块 S 的大小决定着双模
谐振器中两简并谐振模式耦合的大小。
图 2 滤波器的物理和拓扑结构
Fig12 Physical filter structure and topology
3 带阻滤波器的设计实例
首先通过图 2 所示的拓扑结构及前面讲述的带
阻滤波器耦合矩阵综合的方法综合得到滤波器的耦
合矩阵 , 然后结合电磁场仿真软件仿真并优化得到
具体的滤波器物理尺寸。
本文设计了一个中心频率为5 GHz , 通带为4～
417 GHz , 阻带为41992～51092 GHz以及513～6 GHz
的窄带带阻微带双模滤波器。该滤波器的结构及拓
扑如图 2 所示。根据前面的讲述 , 首先综合得到该
带阻滤波器的耦合矩阵为
M =
0 11630 4 11644 2 1
11630 4 0 11256 5 11630 4
11644 2 11256 5 0 11644 2
1 11630 4 11644 2 0
该耦合矩阵的频率响应曲线如图 3 所示。由耦
合矩阵的耦合系数 , 运用 HFSS 计算得到其物理结
构。三维结构仿真曲线如图 4 所示。加工后测试曲
线及实物如图 5 所示。
刘远庆 等 : 微带双模带阻滤波器
540 半导体技术第 33 卷第 6 期 2008 年 6 月
图 3 耦合矩阵计算得到的滤波器频率响应曲线
Fig13 Filter responding curve accord coupling matrix
图 4 实际滤波器在 HFSS 中的仿真曲线
Fig14 Physical filter structure simulation in HFSS
(a) 滤波器在矢量网络分析仪上的实测曲线
(b) 滤波器实物照片
图 5 测试曲线及实物照片
Fig15 Curve measured and photo of physical
4 结论
运用多模谐振器设计带阻滤波器 , 可获得单模
谐振难以得到的小尺寸。通过调整模式间的耦合 ,
实现良好的阻带性能。本文结合实例讲述了耦合矩
阵法设计微带多模带阻滤波器的可行性和简洁性 ,
完成了产品制作 , 实际结果与理论分析有较好吻合
性 , 很好地满足了实际工程需求。
参考文献 :
[1] HONG J S. Microstrip dual2mode band reject filter [J ]. IEEE
MTT2S Int Microwave Symp Digest ,2005 :327.
[2] ROSELLI L ,LUCCHINI L ,MEZZANOTTE P. Novel compact
narrow2band microstrip dual2mode resonator filters for 3G
telecommunication systems [C] ∥European Microwave Conf.
Milan ,Italy ,2002 :123.
[3] CAMERON R J . General coupling matrix synthesis methods for
chebyshev filtering functions [J ]. IEEE Trans on Microwave
Theory and Techniques ,1999 ,47(4) :4332442.
[4] CAMERON R J ,WANG Y, YU M. Direct2coupled realizations
for microwave bandstop filters [J ]. IEEE MTT2S Int Microwave
Symp Digest ,2005 :32235.
[5] HONG J S , LANCASTER M J . Microstrip filters for RF/
microwave applications [M]. John Wiley & Sons , Inc ,2001 :
4062408.
(收稿日期 :2008202227)
作者简介 :
刘远庆(1981 —) ,男 ,云南丽江人 ,研究生 ,
研究方向为多模滤波器的设计与应用 ;
李宏军(1970 —) ,男 ,河北唐山人 ,研究员 ,主要研究方向为微波
滤波器的设计研究。
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刘远庆 等 : 微带双模带阻滤波器
June 2008 Semiconductor Technology Vol133 No16 541
微带双模带阻滤波器.pdf
