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具有宽阻带和锐滚降特性的紧凑型微带低通滤波器
材料来源:《微波杂志》2018年1/2月刊           录入时间:2018/2/6 10:31:32

具有宽阻带和锐滚降特性的紧凑型微带低通滤波器

Compact Microstrip Lowpass Filter with Wide Stopband and Sharp Roll-Off

Shiva Khani and Mohsen Hayati,

Islamic Azad University, Kermanshah, Iran

本文介绍了一种新型微带低通滤波器(LPF),由搭载圆盘形开环谐振器和圆盘形贴片谐振器的高阻抗传输线组成;其尺寸小巧,具有宽阻带、急速滚降及低插入损耗的特性。该滤波器的-3dB截止频率fc = 1.77GHz,滚降率(ζ)为121.4dB/GHz。其阻带覆盖了1.9116GHz,衰减大于20dB

微带低通滤波器一直被广泛应用于微波通信系统中,以抑制杂散信号及不需要的高频谐波。近年来,为了实现诸如小尺寸、锐滚降、宽阻带和低插入损耗等优良特性,人们尝试了诸多结构设计。Hayati和Moghadam[i]采用改进过的环形贴片谐振器及折叠线来实现宽阻带,但该设计结构庞大,且截断速率缓慢。Velidi和Sanyal[ii]设计出一款宽阻带、高滚降率的微带低通滤波器,然而其体积仍旧巨大。还有一款宽阻带低通滤波器[iii]运用了三角形贴片谐振器、圆盘形贴片谐振器以及蛇形传输线,但其滚降较为平缓,同时阻带衰减低。Karimi等人[iv]提出了一种阻带又宽、衰减又快的微带低通滤波器,可惜它的体积和通带损耗都不小。Hayati等人[v]推出的由圆盘形谐振器、三角形贴片及开路支节线所构成的微带低通滤波器虽然滚降率很高,但阻带窄。Wang等人[vi]提出了一种紧凑型微带低通滤波器,具备准椭圆响应、阻带宽,然而滚降平缓、抑制效果较差。搭载具有慢波效应谐振器的低通滤波器[vii]阻带宽、滚降率高,但尺寸大。基于锥形微带谐振器元件的微带低通滤波器[viii]插入损耗低,但滚降仍不尖锐,体积依旧很大。另有一款微带低通滤波器应用了半圆形结构的阶梯阻抗谐振器,旨在减小尺寸[ix],但此举相对来说并不是很有效,且阻带亦窄。使用缺陷地面结构(DGS)[x],[xi]能够改善阻带特性,却会增大滤波器整体尺寸,造成辐射损耗。

本文介绍的是一种新型紧凑型微带低通滤波器。它采用搭载圆盘形开环谐振器及圆盘形贴片谐振器的高阻抗传输线,实现了宽阻带、锐滚降以及低带内插入损耗。

低通滤波器的设计

该滤波器包含了三种谐振器。谐振器1由搭载了圆盘形开环谐振器的高阻抗传输线构成,如图1a所示。其频率响应仿真见图1b。谐振器1在2.25GHz处形成一个传输零点,具有43dB的衰减,从而形成了窄阻带、低衰减。其最优尺寸为L1=10.5mm、L2=0.08mm、L3=0.74mm、W1=5.96mm、W2=1.6mm、r1=6mm、r2=6.7mm、r3=7.4mm、t1=88°以及t2=120°。通过调节L2与t2可改变传输零点。如果将L2的值由0.08增加到0.32mm,传输零点将会右移,如图2a所示;将t2从60°提高至120°,传输零点会左移(见图2b)。

1 谐振器1的结构(a)和频率响应仿真(b

 

2 谐振器1L2a)及t2b)对|S21|的影响

图3为谐振器2及其模拟频率响应。该谐振器尺寸为L4=0.68mm、r4=5.6mm、r5=5.8mm及t3=45°。从图3b可以看到,谐振器2在3和4.8GHz处产生两个传输零点,衰减幅度分别为60和59dB,截断曲线并不陡峭,而且阻带也较窄。图4反映了谐振器1和2的结合以及所产生的频率响应。该结构在阻带中表现出良好的衰减性能,滚降迅速;但其阻带带宽还是比较窄。为了抑制高频有害谐波,需要加入抑制元件。

3 :谐振器2的结构(a)和频率响应仿真(b

 

4 谐振器12的合并结构(a)及频率响应仿真(b

谐振器3(见图5)便起到了抑制元件的作用,以提升高频处的阻带带宽。其尺寸数据为W3=0.792mm、W4=0.08mm、W5=0.3mm、r6=5mm、t4=45°。自此,滤波器的最终架构得以确定(如图6a)。图6b为其模拟频率响应,-3dB截止频率约为1.77GHz。阻带区域从1.91一直延伸到16GHz,整个频带的衰减大于20dB。通带内最大插入损耗和最小回波损耗分别为0.16及14.35dB。

5 谐振器3的结构

 

6 滤波器最终结构(a)和频率响应仿真(b

模拟与实测

本滤波器基底为RT / Duroid 5880,其介电常数为2.2,厚20mil,损耗角正切值为0.0009。该电路通过是德科技的先进设计系统(ADS)进行仿真,并使用HP8757A网络分析仪进行测量。图7a所示为滤波器最终版本;图7b对仿真与测量结果进行了比较,可以看到两者几乎一致。

7 低通滤波器成品(a)及仿真和实测性能(b

表1对本滤波器与过往其它低通滤波器进行了性能比较,其中滚降率定义为:

式中αmax为20dB衰减点,αmin为3dB衰减点,fs是-20dB阻带频率,fc是-3dB截止频率。

 相对阻带带宽(RSB)为

抑制因子(SF)由阻带抑制能力所决定——高抑制度意味着SF也高。例如,阻带带宽要求20dB衰减,那么SF便为2。

归一化电路尺寸(NCS)为

其中λg是-3dB截止频率下的波导。

结构因子为电路复杂度因子,在2D或3D结构中分别为1或2。

最后,品质因数(FOM)是个总体指标

从表1可以看出,本文提出的滤波器设计的FOM比其它的都要高得多。

小结

本文提出了一款新型微带低通滤波器,由搭载了圆盘形开环谐振器及圆盘形贴片谐振器的高阻抗传输线构成。该滤波器的截止频率为1.77GHz,具有尺寸小巧、阻带宽、滚降快、插入损耗低等特点,与其它低通滤波器相比,具有更高的FOM。

参考文献

[i]. M. Hayati and P. Karami Moghadam, “Compact Microstrip Lowpass Filter with Ultra-Wide Stopband Using a Modified Circular Resonator,” Microwave Journal, Vol. 58, No. 4, April 2015, pp. 152–158.

[ii]. V. K. Velidi and S. Sanyal, “Sharp Roll-Off Lowpass Filter with Wide Stopband Using Stub- Loaded Coupled-Line Hairpin Unit,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 21, No. 6, June 2011, pp. 301–303.

[iii]. J. Wang, H. Cui and G. Zhang, “Design of Compact Microstrip Lowpass Filter with Ultra- Wide Stopband,” Electronics Letters, Vol. 48, No. 14, July 2012, pp. 854–856.

[iv]. G. Karimi, A. Lalbakhsh and H. Siahkamari, “Design of Sharp Roll-Off Lowpass Filter with Ultra Wide Stopband,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 23, No. 6, June 2013, pp. 303–305.

[v]. M. Hayati, S. Naderi and F. Jafari, “Compact Microstrip Lowpass Filter with Sharp Roll-Off Using Radial Resonator,” Electronics Letters, Vol. 50, No. 10, May 2014, pp. 761–762.

[vi]. J. Wang, L. J. Xu, S. Zhao, Y. X. Guo and W. Wu, “Compact Quasi-Elliptic Microstrip Lowpass Filter with Wide Stopband,” Electronics Letters, Vol. 46, No. 20, September 2010, pp. 1384–1385.

[vii]. J. L. Li, S. W. Qu and Q. Xue, “Compact Microstrip Lowpass Filter with Sharp Roll-Off and Wide Stop-Band,” Electronics Letters, Vol. 45, No. 2, January 2009, pp. 110–111.

[viii]. Y. Yousefzadeh and M. Hayati, “Compact Lowpass Filter with Wide Stopband Using a Tapered Microstrip Resonator Cell,” Microwave Journal, Vol. 55, No. 3, March 2012, pp. 122–128.

[ix]. L. Wang, H. C. Yang and Y. Li, “Design of Compact Microstrip Low-Pass Filter with Ultra-Wide Stopband Using SIRs,” Progress In Electromagnetics Research Letters, Vol. 18, January 2010, pp. 179–186.

[x]. Y. Yang, Y. He and L. Sun, “Design of a Novel Compact Lowpass Filter with Defected Ground Structure and Open Stubs,” IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology, August 2014, pp. 1–3.

[xi]. S. H. Fu, C. M. Tong, X. M. Li and K. Shen, “A Compact Ultra‐Wide Stopband, Low Insertion Loss, and Sharp Cutoff Low-Pass Filter,” Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 52, No. 3, March 2010, pp. 568–570.


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