一种可以减小尺寸的带通滤波器 滤波器, 谐振器, 周期性, 波导, 平衡

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　1 引言
　　在现代通信系统中，带通滤波器(BPF)是一种重要的微波器件。目前，许多学者针对BPF性能的改进已做了大量广泛而深入的研究，比如小型化，轻质量，低损耗以及较高的品质因数Q等。
　　为了实现带通滤波器的小型化，已提出了各种滤波器结构，如导体支持共面波导(CBCPW), 慢波结构，四分之一波长短谐振器，阶跃阻抗谐振器(SIR)的使用，以及由周期性加载不平衡阶梯阻抗微带线设计成的发夹线谐振器。
　　本文的目的是介绍一种新的基于共面波导(CPW)馈电的SIR带通滤波器，可以达到减小滤波器尺寸的目的。SIR，是由两条具有不同阻抗特性的传输线构成的，与单位阻抗谐振器(UIR)相比，SIR具有较好的杂散特性。在本文所设计的滤波器中，用一个方形环作为谐振器，并且将方形环和CPW分别置于介质层的不同面。滤波器中的SIR结构是由方形环上的一些开槽组成的，这使得滤波器实现了尺寸减小的目的。滤波器的设计将在文章的第二部分中详细的介绍。在第三部分，通过与一般带通滤波器的性能进行分析和比较，进一步验证了本文设计的SIR带通滤波器的小型化特性。
　　2 基于CPW馈电的SIR带通滤波器的设计
　　本文设计的基于CPW馈电的SIR带通滤波器的结构如图1所示。CPW置于介质层的地板面，而方形环则在介质层的另一面。其中，介质层的介电常数为er=6.03，厚度为h=0.8128mm。方形环外的外环长度为L=22MM，圆环的宽度为W=2mm。在CPW的终端，将CPW设计为一个T型结，并且将两个CPW沿方形环的对角线对称的放置。为了使CPW的特性阻抗为50Ω，CPW尺寸的选择也是极为重要的。在本文中，CPW的尺寸为Lf=16mm，Wf=1.4mm。此外，CPW的中心导体部分的宽度为Wc=1.4mm，而其与地之间的缝隙宽度为Wg=0.2mm。在SIR结构的设计中，方形圆环上开槽的长度为Lc=1.5mm，Lg=0.5mm。


　　图1 CPW馈电的SIR 带通滤波器的结构图


　　图2 SIR带通滤波器的仿真结果和测量结果


　　图3 SIR带通滤波器的实物图
　　本文使用Ansoft 商业软件和Aglient 8753ES网络分析仪对滤波器分别进行建模、仿真以及参数的实际测量。参数的仿真结果和测量结果如图2所示。从仿真结果中可以看出，滤波器通带的工作频率包括了以1.39GHz为中心的0.5GHz-2.5GHz频率范围。此外，在滤波器的通带外有两个传输零点，其所在频率分别为1.11GHz和1.55GHz。在两个零点处，滤波器的带外抑制电平分别为45dB 和31dB。在测量中，将两个SMA接口分别与CPW相连接，从而对参数进行实际的测量。从图2中可以看出，在测量结果中，滤波器通带的插入损耗频率范围为1.29GHz-1.44GHz，相对带宽为10.8%。其中，包括SMA接口所引起的插入损耗在内，滤波器的最小插入损耗为1.23dB。此外，图2中的仿真结果和测量结果显示了良好的一致性。图3所示为本文设计的SIR滤波器的实物图，介质层的地面为CPW，并分别与两个SMA接口连接，而方形环则置于介质层的另一面。
　　3 与一般带通滤波器性能的比较
　　为了更好的验证本文所设计的SIR带通滤波器具有减小滤波器尺寸的特性，在这一节中，将与一般的带通滤波器的性能进行比较和分析。一般带通滤波器的结构图如图4所示，其几何尺寸与本文所设计的滤波器的尺寸一致。带通滤波器使用一个长度为Ls=3mm的方形微带线作为微扰，并将其置于方形环内环的一角。分别使用Ansoft 商业软件和Aglient 8753ES 网络分析仪对滤波器进行仿真和测量，从而得到其性能参数的仿真结果和测量结果。
　　如图5所示，对于一般的带通滤波器，在仿真结果和测量结果中，其通带的工作频率分别为以1.8GHz为中心和以1.78GHz为中心的0.5GHz-2.5GHz的频率范围。因此，仿真和测量的相对带宽分别为6.67% 和 6.74%。此外，仿真以及测量结果的带外抑制电平都低于50dB。由于在测量中同样将两个SMA接口与CPW连接，因此，包括SMA所带来的插入损耗在内，滤波器的最小插入损耗为1.01dB。图6为本文提及的一般带通滤波器的实物图。

　　图4 一般带通滤波器的结构图


　　图5 一般带通滤波器的仿真和测量结果


　　图6 一般带通滤波器的实物图
　　本文所设计的SIR带通滤波器和一般带通滤波器的参数分析和比较结果如图7所示，从测量结果可以看出，SIR带通滤波器通带工作的中心频率为1.36GHz，而一般带通滤波器则为1.78GHz ，前者的中心频率比后者低23.4%。因此，本文所设计的滤波器相对一般滤波器而言，可以实现滤波器尺寸减小的目的，尺寸减小量可达到23.4%，而面积缩小将达到41.3%。


　　图7 SIR带通滤波器和一般带通滤波器的比较
　　4 结论
　　本文设计了一种新的基于CPW馈电的方环形SIR 带通滤波器，对测量结果与仿真结果进行了比较，二者具有较好的一致性。与之前类似的带通滤波器相比，本文提出的新设计可使尺寸减小了大约23.4%。