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傳輸線中集成低通單元以改善上阻帶特性，其余的半波長傳輸線用蜿蜒線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近和縱向尺寸偏大的問題。通過替代單元與半波長傳輸線在通帶內特性等效，設計過程大大簡化。濾波器的實測結果與仿真結果一致，在22．8GHz范圍內上阻帶抑制優于20dB。
關鍵詞：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20％)濾波器的設計，一般不能直接用來設計超寬帶濾波器。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。基于多模諧振器實現的超寬帶濾波器具有體積小、結構緊湊的優點，但是濾波器通帶和阻帶的性能不容易控制，往往要通過對多模諧振器結構參數進行反復調試。通過高低通濾波器級聯實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行。
短路枝節線帶通濾波器具有工作帶寬寬、結構簡單的優點，通過增加短路枝節數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，而且結構不夠緊湊。為了解決這兩個問題，本文在傳統結構中引入了低通單元，并且使用蜿蜒線替代半波長傳輸線，設計了一個結構緊湊，同時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設計高通濾波器和帶寬較寬的帶通濾波器，具有結構簡單的優點。傳統的短路枝節濾波器中包含冗余傳輸線，采用不含冗余傳輸線的優化結構，能夠用較少的短路枝節實現與傳統結構相同的濾波性能，且綜合出的傳輸線阻抗對應的微帶線寬易于實現。如圖1所示，若短路枝節電長度為θ，則連接短路枝節的傳輸線電長度為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度θl：

選擇既定的濾波函數后查表即可綜合出短路枝節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°，對應的傳輸線電角度為180°。

圖2是圖1中原型電路的S參數曲線。S21在2f0處達到極小，形成一個傳輸零點，使得上阻帶具有與下阻帶相當的帶外抑制特性；同時由于傳輸線的周期性，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。同時由圖1可以看出，由于半波長傳輸線較長，濾波器結構不夠緊湊。為此使用蜿蜒線取代半波長傳輸線以得到更加緊湊的電路結構，減小電路尺寸。