SIR带通滤波器教程
基于SIR的双频带通滤波器的设计与仿真毕业设计
基于SIR的双频带通滤波器的设计与仿真摘要随着无线通信的迅猛发展与需求的不断增加，双频便携式和无线局域网被广泛应用，双频段滤波器也就成为这些通信系统前端的重要器件。
本论文所研究的利用阶梯阻抗谐振器实现双频滤波的方法，与传统的滤波器组合、零极点综合等方法相比，具有结构紧凑、设计灵活等优势，由此设计的双频滤波器其第二通带的频点位置可通过阻抗比Rz与谐振器的长度进行调节。
文中介绍并分析了阶梯阻抗谐振器(Stepped．Impedance．Resonators，SIR)的结构和特性，着重阐述了半波长阶梯阻抗谐振器的基本特性，并分析了这种结构谐振器的优越性与其实现双频的原理。
在此基础上采用半波长SIR谐振器设计了应用于WLAN(无线局域网IEEE.802.1la/b/g)系统的带宽可控的双频段带通滤波器。
关键词双频带通滤波器，阶梯阻抗谐振器，阻抗比Design of Dual-Band Bandpass Filter Using SIRAbstract With the high development and the need of wireless communications, and the dual-band portable telephones and WLAN(wireless local area network)are quite popular, and the dual-band filters become the key components in the front of these communicationssystems. Using the method of Stepped-Impedance-Resonator to realize dual-passband filters is researched in this dissertation, comparing to the traditional methods that combination filters, he synthesis of zeros and poles and so on, they have advantages of compact structure and convenient design, and the second resonant frequency of the designed dual-band filter can be controlled by the impedance ratio Rz and the length of the resonator. The structure and characteristic of Stepped--Impedance--Resonators are presented in this paper,with an emphasis on the half-wavelength Stepped-Impedance-Resonators, the advantages of the SIR and the principle to realize dual-band are researched too. And four dual-passband filters with controllable bandwidths ale proposed for WLAN(IEEE.802.1la/b/g) using half-wavelength resonators.Key words Dual-band filter, SIR, impedanceratio毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。
六阶S波段SIR带通滤波器设计
第４１卷第４期２０１８年８月电子器件ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓＶｏｌ ４１㊀Ｎｏ ４Ａｕｇ.２０１８收稿日期:２０１７－０４－１９㊀㊀修改日期:２０１７－１１－２０ＤｅｓｉｇｎｏｆＳｉｘ￣ＯｒｄｅｒＳ￣ＢａｎｄＳＩＲＢａｎｄｐａｓｓＦｉｌｔｅｒＹＵＪｕｎｆａｎｇ１∗ꎬＷＥＮＪｉｎｆａｎｇ２(１.ＷｅｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＯｕｊｉａｎｇＣｏｌｌｅｇｅꎬＺｈｅｊｉａｎｇＷｅｎｚｈｏｕＺｈｅｊｉａｎｇ３２５０３５ꎻ２.ＳｃｈｏｏｌｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｕａｎｇｈｕａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＺｈｕｍａｄｉａｎＨｅ ｎａｎ４６３０００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏ￣ｆｉｒｅｄｃｅｒａｍｉｃ(ＬＴＴＣ)ｐｒｏｃｅｓｓꎬａｓｉｘ￣ｏｒｄｅｒｂａｎｄ￣ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘｗｉｔｈｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｔｅｐｉｍｐｅｄａｎｃｅｒｅｓｏｎａｔｏｒ(ＳＩＲ).Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｆｅｅｄｂａｃｋｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｓｕｐｐｒｅｓｓｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｓｉｇｎａｌꎬｔｈｅｆｉｌｔｅｒｕｓｅｓａｑｕａｒｔｅｒ￣ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｔｅｐｉｍｐｅｄａｎｃｅｒｅｓｏｎａｔｏｒｔｏｄｅｓｉｇｎａｔｙｐｉｃａｌｓｉｘｔｈ￣ｏｒｄｅｒｂａｎｄ￣ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒꎬａｎｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｓａｍｐｌｅｔｅｓｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｆｉｌｔｅｒ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｂａｎｄｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｈａｓｇｏｏｄａｎｔｉ￣ｊａｍｍｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎬｓｉｍｐｌｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｌｏｗｃｏｓｔ.ＴｈｅＢａｎｄｐａｓｓＦｉｌｔｅｒｉｓｖｅｒｙｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｍａｒｋｅｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＳＩＲꎻｂａｎｄ￣ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒꎻＬＴＣＣꎻｓａｍｐｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔＥＥＡＣＣ:１２７０㊀㊀㊀㊀ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５－９４９０.２０１８.０４.０２６六阶Ｓ波段ＳＩＲ带通滤波器设计余俊芳１∗ꎬ温金芳２(１.温州大学瓯江学院ꎬ浙江温州３２５０３５ꎻ２.黄淮学院信息工程学院ꎬ河南驻马店４６３０００)摘㊀要:利用低温共烧陶瓷(ＬＴＴＣ)工艺ꎬ成功研制一款以波长阶跃阻抗谐振器(ＳＩＲ)满足对应性能指标的六阶带通滤波器ꎮ为了提高反馈性能并抑制干扰信号ꎬ于是采用四分之一波长的阶跃阻抗谐振器设计一款典型的六阶带通滤波器ꎬ并通过仿真与试样测试来验证带通滤波器的改进结构特性ꎮ理论与试样实验分析结果表明ꎬ该带通滤波器的抗干扰性能好ꎬ整体的制造工艺简单ꎬ且花费的成本偏低ꎮ该带通滤波器适合在市场内进行推广ꎮ关键词:步阶阻抗共振器ꎻ带通滤波器ꎻ低温共烧陶瓷ꎻ试样实验中图分类号:ＴＮ７１３㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００５－９４９０(２０１８)０４－０９５４－０５㊀㊀随着无线通信系统的蓬勃发展ꎬ组件间的整合已成为重要研究课题ꎮ在无线通信系统中ꎬ天线用于接收与发射信号ꎬ是不可缺少的组件[１]ꎮ近年来ꎬ步阶阻抗共振器(ＳＩＲｓ)已为大量学者所关注ꎮ通过调整步阶阻抗共振器的参数ꎬ可将第一谐波频率推至大于２ｆ０处ꎬ且通过结合多个不同步阶阻抗共振器的设计ꎬ达到具有降噪的效果ꎮ另一方面ꎬ若同时控制两频带中心频率ꎬ可用于设计双频带滤波器ꎮ在这方面朱永忠ꎬ赵志远[２]作为较早期的研究者ꎬ但并未详细探讨滤波器的重要特性ꎮ实现双频带滤波器的关键是调整几何参数ꎬ并同时选择两个频带满足需求的外部质量因素与耦合系数ꎮ在文献[３]中ꎬ利用几何参数将外部质量因素与耦合系数的设计曲线有系统地建构出来ꎬ并加以论述与探讨ꎬ从而避免设计中出现不必要的错误ꎮ文献[４]中提出一款双侧耦合线馈入架构ꎬ在相同耦合间隙下ꎬ它可以比传统单侧耦合线馈入架构得到更大的耦合[５]ꎮ在天线与滤波器的整合方面ꎬ为减少电路面积ꎬ可以为一款预先设计好的带通滤波器[６]选适当反馈位置ꎬ直接插入矩形微带天线ꎮ而为了增加带宽ꎬ可以通过在天线与滤波器之间加入额外的阻抗转换架构ꎬ达到滤波器与天线的整合的目的ꎮ然而ꎬ阻抗转换架构需要额外的电路面积ꎬ并且无法在频率范围内提供良好的滤波器响应[７]ꎮ本文基于低温共烧陶瓷(ＬＴＴＣ)工艺ꎬ成功采用步阶阻抗共振器设计一款典型六阶带通滤波器的目的ꎮ由于实现双频带滤波器的关键是调整几何参数ꎬ并同时满足所需的外部质量因素与耦合系数ꎮ本文通过几何参数将设计曲线系统的构建出来ꎬ从而避免设计上的经验性错误ꎮ为了提高带通滤波器反馈性能并抑制干扰信号ꎬ本文采用四分之一波长的阶跃阻抗谐振器设计一款典型的双频带六阶带通滤波器ꎬ并通过仿真与试样测试来验证带通滤波器的改进结构的优良特性ꎮ１㊀四分之一波长ＳＩＲ谐振器的设计图１为一个典型的四分之一步阶阻抗共振器ꎬ第４期余俊芳ꎬ温金芳:六阶Ｓ波段ＳＩＲ带通滤波器设计㊀㊀结构为一个线宽较宽㊁阻抗较小的微带线ꎬ与一个线宽较窄㊁阻抗较大的微带线接合而成ꎬ一端为路端ꎬ另一端则为短路端所构成的结构ꎮ图１㊀四分之一步阶阻抗共振器Ｚ１㊁θ１为线宽宽端的阻抗值与电子系数值ꎬＺ２㊁θ２为线宽窄端的阻抗值与电子系数值ꎮ谐振器的输入阻抗Ｚｉｎ为:Ｚｉｎ＝ｊＺ１(Ｚ１ｔａｎθ１＋Ｚ２ｔａｎθ２)Ｚ１－Ｚ２ｔａｎθ１ｔａｎθ２(１)谐振发生于Ｚｉｎ＝ɕꎬ故Ｚ１＝Ｚ２ｔａｎθ１ｔａｎθ２(２)共振器谐振的参数为Ｚ１ꎬＺ２ꎬθ１和θ２ꎬ整个共振器电子系数为θ１＋θ２ꎬ为了让共振器更紧密ꎬθ１＋θ２的值必须最小ꎬ条件为:θ１＝θ２＝ａｒｃｔａｎ(Ｚ１/Ｚ２)(３)当Ｚ１<Ｚ２ꎬθ１＋θ２<９０ʎꎬ第一混波与基频波的关系是可推出:ｆｓ＝ｆ０πａｒｃｔａｎＺ１/Ｚ２－１æèçöø÷(４)图２为阻抗比Ｚ１/Ｚ２和混波与基频波的比值关系ꎬ由此可知可以利用调整阻抗比改变混波位置来达到共振器所需设计的要求ꎮ图２㊀Ｚ１/Ｚ２与ｆ０/ｆｓ的对应关系图３㊀利用Ｊ－转导器(Ｊ￣ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ)的六阶带通滤波器[９]的等效集总模型２㊀双频带带通滤波器的设计２.１㊀双频带带通滤波器的设计理论图３位利用Ｊ－转导器(Ｊ￣ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ)的六阶带通滤波器等效集总模型ꎬ其中ꎬ图３(ａ)及图３(ｂ)分别为低㊁高频带的等效集总模型ꎮ高㊁低频带的Ｊ￣ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ可以由式(５)~式(９)来决定ꎬ其中高㊁低频带以上标Ｈ及Ｌ来表示:ＪＬꎬＨ０ꎬ１＝ｂＬꎬＨ１ＦＢＷＬꎬＨＺ０ｇ０ｇ１㊀㊀(５)ＪＬꎬＨ１ꎬ２＝ＦＢＷＬꎬＨｂＬꎬＨ１ｂＬꎬＨ２ｇ１ｇ２(６)ＪＬꎬＨ２ꎬ３＝ＦＢＷｂＬꎬＨ２ｂＬꎬＨ３ｇ２ｇ３(７)ＪＬꎬＨ３ꎬ４＝ｂＬꎬＨ３ＦＢＷＬꎬＨＺ０ｇ３ｇ４(８)ｂＬꎬＨｉ＝ωＬꎬＨ０２ｄＢＬꎬＨｉ(ω)ｄωω＝ωＬꎬＨ０＝ω０Ｃｉ㊀(ｉ＝１ꎬ２ꎬ３)(９)ｇｉ为(归一截止频率)＝１的低通滤波器原型的元素值ꎻＺ０为馈入线的特征阻抗ꎻ代表高㊁低频带的操作带宽ꎻＢＬꎬＨｉ(ω)为ＳＩＲ谐振器于高㊁低频带由反馈耦合端的导入ꎻ而ｂＬꎬＨｉ为步阶阻抗共振器于高㊁低频带的斜率参数(~ω０)ꎮ式(２０)~式(２４)可用于评估图３所有元素的值ꎮ本文的滤波器规格如下ꎬ滤波器响应为切比雪夫模型(Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ)ꎬ其滤波为０.０１ｄＢꎬ其低通滤波器原型为ｇ０＝１ꎬｇ１＝０.６２９２ꎬｇ２＝０.９７０３ꎬｇ３＝０.６２９２ꎬｇ４＝１ꎬ低频带操作频率为２.４５ＧＨｚ且操作带宽为５％ꎬ高频带操作频率为５.８ＧＨｚ且操作带宽为３％ꎮ当输入/输出端为５０Ω时ꎬ原型的值的低频部分为:Ｚ０＝５０ΩꎻｂＬ１＝ｂＬ２＝ｂＬ３＝０.０７８ＪＬ０ꎬ１＝ＪＬ３ꎬ４＝１１.１ｍｓＪＬ１ꎬ２＝ＪＬ２ꎬ３＝５ｍｓ高频部分:Ｚ０＝５０ΩꎻｂＬ１＝ｂＬ２＝ｂＬ３＝０.０５７ＪＬ０ꎬ１＝ＪＬ３ꎬ４＝７.４ｍｓＪＬ１ꎬ２＝ＪＬ２ꎬ３＝２.２ｍｓ本论文所设计的双频带带通滤波器ꎬ通过六阶ＳＩＲ谐振器实现ꎬ其两两共振器间之耦合皆以平行耦合达成ꎬ利用带通滤波器的设计法则[１０]ꎬ可将Ｊ－转导器(Ｊ￣Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ)的值转换为输入/输出端口的外部质量因素及两共振器之间耦合系数:ＱＬꎬＨｅꎬ０＝ｂＬꎬＨ１Ｚ０ＪＬꎬＨ２０ꎬ１ꎻＱＬꎬＨｅꎬｎ＋１＝ｂＬꎬＨｎ＋１Ｚ０ＪＬꎬＨ２ｎꎬｎ＋１(１０)ＭＬꎬＨｉꎬｊ＋１＝ＪＬꎬＨｊꎬｊ＋１ｂＬꎬＨｊｂＬꎬＨｊ＋１(１１)在式(１０)㊁式(１１)里ꎬｂＬꎬＨｉ是由ＳＩＲ谐振器提５５９电㊀子㊀器㊀件第４１卷取而得ꎬＪＬꎬＨ０ꎬ１㊁ＪＬꎬＨ３ꎬ４以输入/输出端口的外部质量因素表现ꎬＪＬꎬＨ１ꎬ２㊁ＪＬꎬＨ２ꎬ３以两步阶阻抗共振器间的耦合系数表现ꎬ即可成功利用步阶阻抗共振器设计一款六阶带通滤波器ꎮ２.２㊀相邻步阶阻抗共振器的耦合系数相邻步阶阻抗共振器间的耦合系数(ｋ)由几何参数:耦合间隙(ｇｋ)和耦合长度(Ｌｋ)所控制ꎬ如图４所示ꎮ图４㊀两相邻步阶阻抗共振器之耦合架构图５㊀随着耦合间隙与耦合长度变化之两相邻步阶阻抗共振器之耦合系数(ｋ)为了解释其耦合机制ꎬ首先制作双频带带通滤波器的设计曲线ꎬ其操作频率为２.４５ＧＨｚ/５.８ＧＨｚꎬ利用传统的阻抗共振器间的耦合系数技术ꎬ通过记录耦合共振器的共振频率ꎬ耦合系数则可由式(１１)㊁式(１２)计算求得ꎮ图５为两相邻步阶阻抗共振器的耦合系数针对不同的耦合间隙与耦合长度作图而成ꎬ其结果通过ＨＦＳＳ软件计算求得ꎮＭ１ꎬ２＝(ｆ２２－ｆ２１)/(ｆ２２＋ｆ２１)(１２)由观察可以明显地发现ꎬ不论低频带或是高频带ꎬ较小的耦合间隙会得到较大的耦合系数ꎬ另外ꎬ这两个频带的耦合系数ꎬ会随着耦合长度的增加有着不同的改变ꎬ这种现象在双频带滤波器设计中具有相当重要的关键性ꎮ当耦合长度很小时ꎬ其耦合主要由两开路端交互电场所产生ꎬ即为电耦合ꎬ随着耦合长度渐增ꎬ愈接近电流极大处ꎬ其耦合主要为磁耦合所贡献ꎬ图５中的零点是由于电耦合与磁耦合互相抵消时所产生ꎮ由于耦合系数在这两个频带的变化不同ꎬ可由一组特定的耦合间隙与耦合长度同时实现两个频带所需求的耦合系数ꎮ２.３㊀输入/输出端口的外部质量因素由观察可以发现图６为双侧耦合线的反馈架构ꎬ由几何参数:耦合长度(Ｌｑ)与耦合间隙(ｇｑ)所控制ꎮ图６㊀输入/输出埠之耦合线馈入架构图７㊀随着耦合间隙与耦合长度变化的输入/输出端口外部质量因素利用传统提取输入/输出端口的外部质量因素的技术ꎬ输入/输出端口的外部质量因素可以通过式(１３)计算求得ꎮ图７为输入/输出端口的外部质量因素针对不同的耦合长度与耦合间隙作图而成ꎬ其结果是由ＨＦＳＳ软件计算求得ꎮＱｅꎬ０＝ｆ０Δｆʃ９０ʎ(１３)式中:ｆ０为共振频率ꎬΔｆʃ９０ʎ则是反射系数为－９０ʎ及＋９０ʎ两者的频率差ꎮ基于外部质量因素的定义ꎬ若输入/输出端的耦合强烈时(较大的耦合系数)ꎬ会对应出一个相对较小的外部质量因素ꎮ由图７可以明显地发现ꎬ不论是低频带或是高频带ꎬ由较小的间隙会产生较大的６５９第４期余俊芳ꎬ温金芳:六阶Ｓ波段ＳＩＲ带通滤波器设计㊀㊀耦合ꎬ因此外部质量因素相对较小ꎮ另外ꎬ这两个频带的外部质量因素也会随着耦合长度的增加有着不同的变化ꎬ这种现象在双频带滤波器设计中具有相当重要的关键性ꎮ由于外部质量因素在这两个频带的变化不同ꎬ所以可由一组特定的耦合间隙与耦合长度同时实现两个频带所需求的外部质量因素ꎮ２.４㊀设计流程根据上述的分析ꎬ利用步阶阻抗共振器设计六阶带通滤波器的流程如下所示:步骤１㊀首先确定步阶阻抗共振器的参数ꎬ其中阻抗比例(Ｒ)必须考虑制成极限ꎮ步骤２㊀依据设计规格计算滤波器所需的元素值ꎬ并寻找对应的耦合系数㊁外部质量因素:当给定双频带滤波器的设计规格ꎬ图３的Ｊ－转换器(Ｊ￣Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ)可由式(５)~式(９)决定ꎬ利用式(１２)㊁式(１３)将其两个频带所需的耦合系数㊁外部质量因素计算出来ꎮ步骤３㊀利用图５㊁图７找出耦合系数㊁外部质量因素的几何参数:根据步骤２计算出的耦合系数值ꎬ利用图５找出一组对应的几何参数同时满足两频带所需的耦合系数ꎮ同理ꎬ根据步骤２计算出的外部质量因素值ꎬ再利用图７找出一组对应的几何参数同时满足两频带所需的外部质量因素ꎮ步骤４㊀实现滤波器的电路布局:按照上述的设计流程ꎬ逐步将几何参数转化成实际电路布局ꎬ且设计的双频带带通滤波器将不需要调整错误的过程ꎮ２.５㊀模拟与测量结果本论文提出的以ＳＩＲ谐振器设计的六阶带通滤波器操作频率为２.４５ＧＨｚ/５.８ＧＨｚꎬ根据前面阐述的设计流程ꎬ逐步设计并确认所提出的概念ꎮ图８为六阶带通滤波器的电路布局图ꎬ其中图８(ａ)为完整电路布局图ꎬ图８(ｂ)为对称面(ｐ－ｑ)左半侧的半电路布局图ꎬ图８(ｃ)为实体电路图ꎬ上述双频带滤波器设计以２０ｍｉｌ－ＲＯ４００３Ｃ基板实现ꎬ其介电常数为３.５５㊁损耗正值为０.００２７ꎮ其中由式(１２)及式(１３)可计算出两个频带所需的外部质量因素和耦合系数分别为低频带:１２.５８及０.０６４ꎬ高频带:２０.９７及０.０３８ꎮ其设计参数为Ｌｋ＝１３.４ｍｍ㊁Ｌｑ＝１０.７ｍｍ㊁ｇｋ＝０.３ｍｍ㊁ｇｑ＝０.１５ｍｍꎮ该六阶带通滤波器的测量与模拟Ｓ参数响应如图９所示ꎮ在低频带(２.４５ＧＨｚ)ꎬ其模拟与测量所得的｜Ｓ１１｜(反射系数)分别为－２０.１ｄＢ及－１３.４ｄＢꎬ｜Ｓ２１｜(传输系数)分别为－２.２ｄＢ及－２.２ｄＢꎻ而在高频带(５.８ＧＨｚ)时ꎬ其模拟与量测所得的｜Ｓ１１｜(反射系数)分别为－２０.９ｄＢ及－１２.９ｄＢꎬ｜Ｓ２１｜(传输系数)分别－２.８ｄＢ及－３.４ｄＢꎮ图９㊀六阶带通滤波器的Ｓ参数响应图８㊀六阶带通滤波器７５９电㊀子㊀器㊀件第４１卷从测量与模拟的高低频带反射系数和传输系数的结果中可以看到ꎬ反射系数和传输系数的模拟和测量的曲线较为接近ꎬ其中高频带和低频带的传输系数的模拟和测量的绝对值最大值较为接近ꎬ而反射系数的模拟和测量的绝对值最大值差别较大ꎬ造成这种结果的主要原因在于测量中的反射系数受试验环境影响较大ꎬ因此导致试验与理论模拟的绝对值最大值差别较大ꎮ３ 结论本文利用ＳＩＲ谐振器设计一款典型六阶带通滤波器ꎬ首先针对四分之一波长的ＳＩＲ谐振器作理论分析ꎬ接着依照本文所阐述的双频带带通滤波器的设计流程逐步设计ꎬ同时利用ＬＴＴＣ技术将设计的带通滤波器制造出来ꎬ并通过理论模拟及试验测量分析验证了该滤波器优良的抗噪性能及稳定性ꎬ结合该滤波器的优良性能以及制造工艺简单㊁成本较低等特点ꎬ具有较好的市场推广前景ꎮ参考文献:[１]㊀ＨａｎＹｕｎａｎꎬＹａｎｇＢｉａｏꎬＧｕｏＱｉｎｇ.ＤｅｓｉｇｎｏｆＬｏｗ￣ＰａｓｓＦｉｌｔｅｒｓｗｉｔｈＵｌｔｒａ￣ＷｉｄｅＳｔｏｐｂａｎｄＵｓｉｎｇＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃＤＧＳ[Ｃ]//ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏ￣ｍａｇｎｅｔｉｃＣｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ(ＥＭＣ)ＳｙｍｐｏｓｉｕｍＤｅｎｖｅｒＣｏｌｏｒａｄｏ:ＩＥＥＥＰｒｅｓｓꎬ２０１３:６３６－６３９.[２]朱永忠ꎬ赵志远.具有多传输零点的微带传输线滤波器设计[Ｊ].北京:北京邮电大学学报ꎬ２０１５ꎬ３５(５):７７－８０. [３]赵晓红ꎬ张玉田ꎬ钱平凯.高温超导微波带通滤波器的研制[Ｊ].北京邮电大学学报ꎬ２０１６ꎬ１９(４):４８－５２.[４]ＷｕＨＷꎬＣｈｅｎＹＦꎬＣｈｅｎＹＷ.Ｍｕｌｔｉ￣ＬａｙｅｒｅｄＤｕａｌＢａｎｄＢａｎｄＰａｓｓＦｉｌｔｅｒＵｓｉｎｇＳｔｕｂ￣ＬｏａｄｅｄＳｔｅｐｐｅｄ￣ＩｍｐｅｄａｎｃｅａｎｄＵｎｉｆｏｒｍ￣ＩｍｐｅｄａｎｃｅＲｅｓｏｎａｔｏｒｓ[Ｊ].ＩＥＥＥＭｉｃｒｏｗＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｐｏｎＬｅｔｔꎬ２０１２ꎬ２２(３):１１４－１１６.[５]ＣｈａｎｇＷＳꎬＣｈａｎｇＣＹ.ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＤｅｓｉｇｎｏｆＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐＳｈｏｒｔＣｉｒｃｕｉｔＴｅｒｍｉｎａｔｅｄＳｔｅｐｐｅｄ￣ＩｍｐｅｄａｎｃｅＲｅｓｏｎａｔｏｒＤｕａｌ￣ＢａｎｄＦｉｌｔｅｒ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓＭｉｃｒｏｗＴｈｅｏｒｙＴｅｃｈꎬ２０１１ꎬ５９(７):１７３０－１７３９.㊀[６]ＴｓｅｎｇＣＨꎬＳｈａｏＨＹ.ＡＮｅｗＤｕａｌ￣ＢａｎｄＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐＢａｎｄｐａｓｓＦｉｌｔｅｒＵｓｉｎｇＮｅｔ￣ＴｙｐｅＲｅｓｏｎａｔｏｒｓ[Ｊ].ＩＥＥＥＭｉｃｒｏｗＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｐｏｎＬｅｔｔꎬ２０１０ꎬ２０(４):１９６－１９８.[７]严琴ꎬ冯勇建.基于跳频通信的带通滤波器[Ｊ].传感技术学报ꎬ２０１２ꎬ２０(６):１３０３－１３０７.[８]ＨｏａｎｇＴＨꎬＰｈａｍＡＶ.ＤｕａｌＢａｎｄＢａｎｄ￣ＰａｓｓＦｉｌｔｅｒｗｉｔｈＷｉｄｅＳｔｏｐｂａｎｄｏｎＭｕｌｔｉｌａｙｅｒＯｒｇａｎｉｃＳｕｂｓｔｒａｔｅ[Ｊ].ＩＥＥＥＭｉｃｒｏｗＷｉｒｅ￣ｌｅｓｓＣｏｍｐｏｎＬｅｔｔꎬ２０１３ꎬ２３(４):１９３－１９５.[９]李祥福ꎬ王心尘ꎬ王亚军.微带ＳＩＲ交叉耦合滤波器的设计[Ｊ].仪器仪表学报ꎬ２００７ꎬ２８(４):１０８－１１１.[１０]陈军ꎬ朱晓维ꎬ居万晨.Ｘ波段微带交叉耦合带通滤波器的设计[Ｊ].微波学报ꎬ２０１４ꎬ３０(２):５８－６１.余俊芳(１９８４－)ꎬ女ꎬ湖北黄梅人ꎬ汉族ꎬ硕士ꎬ实验员ꎬ从事计算机实验室管理工作ꎬ研究方向为实验室建设与管理㊁计算机等ꎻ温金芳(１９８５－)ꎬ女ꎬ山西平遥人ꎬ汉族ꎬ硕士ꎬ助教ꎬ研究方向为从事无线通信方向ꎬｖｑｍｋ４９＠１６３.ｃｏｍꎮ８５９。
SIR带通滤波器教程
第三章具有两个传输零点的六阶SIR耦合谐振带通滤波器3.1引言对于微波带通滤波器，由于分布参数的传输线段频率响应的周期性，使得在离开中心频率f0的主通带一定距离处出现了寄生通带[1]。
距离主通带最近的寄生通带，一般会出现在2f0或3f0处，这种频率点处的寄生通带对于谐波输出是不利的。
阶梯阻抗谐振器（stepped impedance resonators，SIR）结构通过调节耦合线段与非耦合线段的阻抗比，可以控制寄生通带出现的位置，从而更好的解决了谐波抑制问题，同时，SIR结构采用不同特性阻抗的传输线组成，在增加设计自由度的同时，极大程度上减小了滤波器的尺寸。
2012年，上海大学的马德臣等人设计出一种新颖的双频带带通滤波器，该滤波器由2个折叠型SIR构成，通过奇偶模分析，得到所要的中心频带2.4GHz和5.2GHz，在第一通带的回波损耗优于20dB，插入损耗小于0.2dB，且3dB相对带宽为6.3%；第二通带的回波损耗优于20dB，插入损耗小于0.5dB，且3dB相对带宽为3.4%，器件的整体尺寸为24mm×30mm [2]。
2014年，山西大学的梁学亮等人利用弯折双频谐振器的高阻抗部分微带线的方式，引入额外的结构参数，使得双频谐振器间的耦合结构和馈电位置在两个频段上具有相同的结构参数，进一步缩小体积，实现小型化双频滤波器的设计，该滤波器工作频率为2.4GHz和5.2GHz，回波损耗优于20dB，插入损耗小于1dB，相对带宽为20%，器件的整体尺寸仅为6mm×15mm[3]。
2015年，贵州大学的雷涛等对经典的二分之一波长的SIR结构进行弯折，采用变形的阶梯阻抗谐振器，引入高阻抗之间的交叉耦合，在滤波器的上下阻带各产生两个传输零点，具有典型的准椭圆函数响应特性，滤波器的相对带宽为47.3%，带内最小插入损耗为0.74dB，袋内回波损耗优于15dB，器件的整体尺寸为12.35mm×9.65mm[4]。
C波段三截面阶梯阻抗(SIR)滤波器的设计
C波段三截面阶梯阻抗(SIR)滤波器的设计王志敏;陈波;杨德强【摘要】SIR滤波器有尺寸小,成本低,易于集成和寄生通带可调节等特点,在微波电路中有着广泛的应用.文中根据项目的需求对SIR滤波器的小型化和寄生通带调节进行研究,通过HFSS仿真软件设计了一个三截面SIR滤波器,中心频率为7.0 GHz,带宽为6.5～7.5 GHz,带内插损优于1.5 dB,在4.0 GHz和9.0 GHz处抑制度大于55dB.该滤波器结构充分利用空间,比经典发夹型缩小近20%.调节寄生通带的变量增加,调节更加灵活,仿真显示在带宽的二倍谐波处抑制度优于35 dB.【期刊名称】《实验科学与技术》【年(卷),期】2011(009)002【总页数】3页(P10-12)【关键词】三截面;SIR滤波器;小型化;寄生通带【作者】王志敏;陈波;杨德强【作者单位】电子科技大学电子工程学院,成都,610054;电子科技大学电子工程学院,成都,610054;电子科技大学电子工程学院,成都,610054【正文语种】中文【中图分类】TN61在无线与射频通信系统中,微带滤波器以其成本低,易于集成的特点得到了广泛应用。
随着移动通信技术的发展,市场对于小型化和谐波抑制度尤其是二次谐波抑制度的要求越来越高。
微带阶梯阻抗滤波器具有体积小、结构简单、加工方便、成本低、易于集成化且可通过控制耦合线段和非耦合线段,有效地控制滤波器寄生通带的位置等优点,因此非常具有研究意义和市场价值。
本文首先大概介绍下 SIR带通滤波器的基础电路原理,然后根据原理使用 HFSS软件设计了一个C波段的五阶三截面 SI R带通滤波器模型并进行仿真分析,经过优化达到预定的性能指标。
1 SIR带通滤波器的设计原理1.1 SIR基本原理及其等效电路SI R是由两个以上具有不同特性阻抗的传输线组合,可以传输横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器。
本文研究的是λg型 SIR,这是由于λg/2型 SIR是由带状线结构组成,允许有更广的几何结构型式,且和有源器件有更好的兼容性[1]。
(整理)带通滤波器的设计步骤
带通滤波器设计流程滤波器是具有频率选择性的双端口器件。
由于谐振器的频率选择性，所以规定的频率信号能够通过器件，而规定频率信号以外的能量被反射，从而实现频率选择的功能。
滤波器从物理结构上，就是由一些不同的单个谐振器按相应的耦合系数组合而成，最后达到规定频率的信号从输出端通过的目的。
1. 滤波器技术指标1.1工作频率范围: 1060MHz±100MHz 1.2插入损耗： 0.5dB max 1.3驻波比: 1.2 max1.4带外抑制： ＞20dB@f0±200MHz＞35dB@f0±300MHz ＞60dB@f0±500MHz1.5寄生通带： f ＞3500MHz 以上，对衰减不作要求1.6工作温度: -55°Cto+85°C 1.7最大输入脉冲功率：400W ； 最大输入平均功率：20W2.滤波器设计原理图1 滤波器原理图3.滤波器结构选择 3.1物理结构选择根据以上技术指标选择腔体交指型带通滤波器，主要的原因是因为它有着良好的带通滤波特性，而且它结构紧凑、结实；且容易制造；谐振杆端口2的长度近似约为λ/４（波长），故第二通带在３倍fo上，其间不会有寄生响应。
它用较粗谐振杆作自行支撑而不用介质，谐振杆做成圆杆，还可用集总电容加载的方法来减小体积和增加电场强度，而且它适用于各种带宽和各种精度的设计。
3.2电路结构的选择根据以上技术指标选择交指点接触形式，主要的原因是它的谐振杆的，载ＴＥ一端是开路，一端是短路（即和接地板接连在一起），长约λ/４0Ｍ(电磁波)模，杆１到杆n都用作谐振器，同时杆１和杆n也起着阻抗变换作用。
4.电路仿真设计如图2模型选择。
采用An soft公司的Serenade设计，根据具体的技术指标、体积要求和功率容量的考虑，此滤波器采用腔体交指滤波器类型,使用切比雪夫原型来设计，用圆杆结构的物理方式来实现。
图2模型选择如图3滤波器综合指标选择。
双同轴腔DC-SIR带通滤波器设计
根 据 阻抗 比 Ｒ 和 归 一 化 Ｑ值 与 线 阻 建 立 单 腔 的 谐 振 频 率 扫 描 模 型 。 ｚ 在 抗 的关 系 图，用 Ａ ｉｎ ｐ ｃ ｄ软 件 仿 真 扫 描 谐 振频 率 的时 候 不 需要 加 ｇｌ ｔ ｐ ａ ｅ Ａ
优 化并加工调试 。
半 径 ， 空 腔 的深 度 ， ． ｅ ．ｃ ｎｃ ｍ ０ ８ ｇ ｃｅ ｃ ．ｏ ８
维普资讯
滤 波 器 设 计
本 文 使 用 ＳＲ结 构 设 计 滤 波 器 ， Ｉ
图 中 ， ａ 为谐 振 器 高 阻 抗 部 分 的 度 ， 并 在 此 基 础 上 缩 短 ｌ 长 度 以 的 半径 ，。 低阻抗部 分的半径 ， ａ为 ｂ为 达 到 消 除 开 路 端 电容 影 响 的 目的 。 Ｈ Ｓ 场 仿 真 软 件 下 仿 真 优 化 该 空 ＦＳ 谐 振 腔 的边 长 之 半 或 同轴 腔 的外 径 然 后 考 虑 谐 振 杆 空 腔 的影 响 ，在 前 腔 的尺 寸 及 谐 振 杆 低 阻抗 部分 的长 （ 体 视 外 腔 为 矩 形 腔 或 圆 形 腔 而 面 计 算 的基 础 上 通 过 仿 真 优 化 确 定 具 度 ， 计 算 耦合 系数 与 耦 合 窗 、 部 并 外 ， Ｃ为 品 质 因 素 Ｑｅ的关 系 ， 后 整 体 仿 真 定 ） ｈ为谐 振 腔 的 长 度 ， 空 腔 的 空 腔 的尺 寸 及 谐 振 杆 低 阻抗 部 分 的 最
一 成 都 电子科 技 大学 高建 民 秦 开宇
引 言
微 波 滤 波 器 是微 波 系 统 中 的关
ｚｌ
Ｉ
Ｚ２
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键 元 件 ， 对 不 同 的应 用 领 域 和 场 针 合 ，它 可 采 用 多 种 不 同 的 结 构 来 实 现 。 通 常 ，当 滤 波 器 通 带 的 相 对 带 宽大 于 １％时可 以采用 交 指 型结 构 ， ５ 大于５ ％时 可 以采 用 梳 状 型 结 构 ， 而 小 于 ５ 时 则 采 用 同轴 型 结 构 。 由 ％ 于 实 际项 目对 滤 波 器 的体 积 有 特 殊
一种基于SIR结构的三通带带通滤波器
doi :10.3969/j.issn.1001-893x.2019.09.019引用格式:张志悦,姬五胜,童荥贇,等.一种基于SIR 结构的三通带带通滤波器[J].电讯技术,2019,59(9):1101-1106.[ZHANG Zhiyue,JI Wusheng,TONG Yingyun,et al.A three-pass bandpass filter based on SIR structure[J].Telecommunication Engineering,2019,59(9):1101-1106.]一种基于SIR 结构的三通带带通滤波器*张志悦1a ,1b ,姬五胜**1a ,1b ,童荥贇1a ,1b ,戴 薇1a ,1b ,崔俊海2(1.天津职业技术师范大学a.天线与微波技术研究所;b.电子工程学院,天津300222;2.上海圣丹纳无线科技有限公司,上海200444)摘 要:应用双指耦合结构和枝节加载谐振器(Stub-loaded Resonator ,SLR )实现了一款基于阶梯阻抗谐振器(Stepped Impedance Resonator ,SIR )的滤波器㊂该滤波器具有3个通带,带外抑制较好,工作频段提高㊂通过调整阻抗比可调节第二㊁三通带的谐振频率;SLR 结构能够增加通带数量;SLR 结构和双指耦合结构均能改善滤波器的S 参数㊂HFSS 软件仿真表明,3个通带的中心频率分别为3.5GHz ㊁6.6GHz ㊁9.2GHz ,对应的分数带宽分别为5.7%㊁3%㊁2%,S 11分别为-18dB ㊁-22dB ㊁-24dB ,通带内的S 21分别为-1.8dB ㊁-1dB ㊁-1dB ㊂电路的测量结果与仿真结果较为吻合㊂该滤波器在5G 通信的低频段具有应用前景㊂关键词:5G ;带通滤波器;三通带;SIR /SLR ;双指耦合结构开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流中图分类号:TN713 文献标志码:A 文章编号:1001-893X (2019)09-1101-06A Three -pass Bandpass Filter Based on SIR StructureZHANG Zhiyue 1a,1b ,JI Wusheng 1a,1b ,TONG Yingyun 1a,1b ,DAI Wei 1a,1b ,CUI Junhai 2(1a.Institute of Antenna and Microwave Techniques;1b.School of Electronic Engineering,Tianjin University of Technology and Education,Tianjin 300222,China;2.Shanghai Saintenna Wireless Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200444,China)Abstract :By using a two-finger coupling structure and a stub-loaded resonator (SLR),a filter based on a stepped impedance resonator (SIR)with three passbands,better out-of-band rejection,and improved op⁃erating frequency band is implemented.The resonant frequency of the second and the third bandpass be ad⁃justed by adjusting the impedance ratio.SLR structure can increase the number of passband.Both the SLR structure and the two-finger coupling structure can improve the S parameters of the filter.The simulation with HFSS software shows that the central frequencies of the three passbands are 3.5GHz,6.6GHz and 9.2GHz respectively,the corresponding fractional bandwidth is 5.7%,3%and 2%,respectively;the S 11is better than -18dB,-22dB and -24dB,respectively;the S 21in the passband is better than -1.8dB,-1dB and -1dB,respectively.The measurement results of the circuit are in good agreement with the simula⁃tion results.The filter can be used in 5G communication.Key words :5G;bandpass filter;three passbands;SIR /SLR;two-finger coupling structure㊃1011㊃第59卷第9期2019年9月电讯技术Telecommunication EngineeringVol.59,No.9September,2019***收稿日期:2019-03-31;修回日期:2019-05-10基金项目:2018天津市自然科学基金(18JCYBJC16400);上海圣丹纳无线科技有限公司委托项目通信作者:wshji1326@1 引 言在信息技术快速发展的今天,人们对无线通信的要求越来越高㊂滤波器在无线通信系统中起着频率选择㊁消除带外干扰的关键作用,其作用的好坏直接关系到整个通信系统的性能㊂目前,随着5G技术的兴起,新的通信标准相继被提出和应用,使得信道划分越来越细,频谱资源越来越拥挤㊂为了解决这个问题,多频段通信系统应运而生㊂多通带滤波器的研究以双通带和三通带为主,双通带发展已较为成熟,三通带滤波器的研究是当务之急㊂多通带滤波器的设计方法较多,阶梯阻抗谐振器(Stepped Impedance Resonator,SIR)可用于多通带滤波器的设计[1-3]㊂通过加入伪交指或单指端耦合结构可以改善双通带滤波器的S参数和体积㊂滤波器的组合可以实现多通带滤波器的设计,但电路尺寸会相对加大[4]㊂枝节加载谐振器(Stub Loading Resonator,SLR)可实现多通带滤波器的设计[5-6]㊂应用SLR,加载不同枝节数,可以实现不同通带数量的滤波器;可以通过在双模谐振器上添加两个以上的枝节来获得三模谐振器,从而得到三通带滤波器㊂由上述可知,滤波器多通带的设计可以应用SIR㊁SLR和滤波器组合的方法,但应用滤波器组合的方法会使电路尺寸增加,所以很少应用㊂本文采用SIR和SLR相结合的方法实现三通带㊂双指耦合结构为将原始耦合结构中的输入输出馈线平分成两部分㊂文献[7-9]均实现了三通带滤波器,但存在滤波器通带频段较低的缺点㊂由于双指耦合结构可以提高端耦合强度,从而减小滤波器的S21,所以本文应用双指耦合结构来改善S21㊂本文将SIR㊁双指耦合结构和SLR综合应用于滤波器设计,实现了一款基于SIR的三通带带通滤波器㊂相比文献[7-9],本文设计的滤波器通带频段提高,S21有改善,且带外抑制较好;第一通带处于工信部5G规划频段,在5G通信的低频段具有应用前景㊂2 三通带滤波器电路设计与电路参数本文旨在设计一款具有3个通带㊁带外抑制较好㊁通带频段提高的带通滤波器㊂2.1 滤波器的设计原理2.1.1 滤波器中SIR结构分析本文滤波器主要应用SIR㊁SLR实现多通带滤波器的特性以及双指耦合结构提高耦合强度的特性㊂与微带馈线耦合的阶梯阻抗谐振器终端开路时,输入导纳为Y in=j Y22(R z tanθ1+tanθ2)(R z-tanθ1tanθ2)R z(1-tan2θ1)(1-tan2θ2)-2(1-R2z)tanθ1tanθ2㊂(1)取Y in=0的谐振条件为R z=Z2Z1=tanθ1tanθ2,(2)电长度为θ1=βl,(3)传输常数为β=2πλg,(4)相对带宽为Δ=2(λg1-λg2)(λg1+λg2),(5)阶梯阻抗变换器中各节的长度为l i=λg1λg22(λg1+λg2)㊂(6)式(1)~(6)中:Y in为输入导纳,R z为阻抗比,Z i为SIR各节微带线的阻抗值,θi为l i对应的电长度,λgi 为波导波长,β为传播常数㊂通过式(1)~(6),可以求得每段SIR结构的长度和阻抗值㊂其计算过程为:在仿真优化后可以得到l和Δ的值,根据公式(5)㊁(6)可联立求出λg1和λg2,利用式(4)求得β1和β2,然后利用式(3)求得θ1和θ2,再利用式(2)求得阻抗比R z,进一步求得各个微带线高阻抗线和低阻抗线的阻抗值㊂2.1.2 滤波器中SLR结构分析SIR高阻抗线加载扇形枝节形成SLR,SLR的扇形枝节在SIR高阻抗线正中间时SLR关于中心面对称,可以应用奇偶模法来分析㊂图1为SLR奇偶模等效电路㊂图1 SLR奇偶模等效电路对于奇模激励,对称面为短路,等效模型如图1 (a),输入阻抗可表示为Z in,odd=j Z3tan(βl3/2)㊂(7)㊃2011㊃电讯技术 2019年由谐振条件Y in,odd =0,可得奇模谐振频率为f odd =(2n -1)c2l 3 εeff㊂(8)式中:n =1,2,3 ;c 为真空中的光速㊂对于偶模激励,对称面为开路,等效模型如图1(b)所示,输入导纳可表示为Y in,ev =j1Z 3Z r tan(βl 3/2)+Z 3tan(βr )Z r -Z 3tan(βl 3/2)tan(βr )㊂(9)由谐振条件Y in,ev =0,可得偶模谐振频率为f ev =n c(l 3+2r ) εeff㊂(10)式中:εeff 是基片的有效介电常数㊂由公式(8)和(10)可知,奇模频率与l 3成反比,偶模频率与l 3和r 成反比㊂2.1.3 滤波器中双指耦合结构分析本文应用2.1.1节的阶梯阻抗谐振器和2.1.2节的枝节加载谐振器,实现滤波器的三通带特性㊂3个通带谐振频率可以通过调节SIR 的阻抗比㊁SLR 的扇形枝节半径和SIR 高阻抗线的长度l 3来调节㊂在滤波器的设计中,有时会存在通带的反射较大㊁插损较大的问题,这是由端耦合不足引起的㊂为了增加端耦合的强度,进一步改善滤波器的S 参数,在输入输出端引入一种更紧凑的双指耦合结构,即将原始的耦合结构中的输入/出馈线平分为两部分,形成双指耦合结构㊂该结构在电学上等效于原微带馈线结构,它在输入/出端和谐振器边缘之间引入更紧凑的耦合,从而减小插损㊂2.2 三通带滤波器电路基于双指耦合结构的电路如图2(a)所示㊂顶层由微带馈线与阶梯阻抗谐振器(SIR)组成,且微带馈线与SIR 采用双指耦合结构进行耦合,与微带馈线耦合的SIR 为两个尺寸相同的λ/2型SIR 的叠加㊂λ/2型SIR 中间微带线为高阻抗线,两侧微带线为低阻抗线,两个λ/2型SIR 共用中间的一个低阻抗线,底层为接地微带面㊂图2 滤波器电路结构基于扇形枝节的电路结构如图2(b)所示㊂顶层在图2(a)电路结构的基础上,在与微带馈线耦合的阶梯阻抗谐振器的高阻抗线(细带线)加入了扇形枝节,底层为接地微带面㊂相对于前人设计,本文应用SIR㊁双指耦合结构㊁SLR(加入扇形枝节)相结合的方法实现三通带滤波器;SLR 采用扇形枝节,相对于加载开路枝节,尺寸相对减小;滤波器的工作频率提高;带外抑制较好㊂2.3 三通带带通滤波器的电路参数此电路设计采用的电介质材料为RO4003C,其介电常数为εr =3.55,损耗角正切为tan δ=0.0029,此滤波器的厚度h =0.508mm,为了使滤波器的输入输出端口的阻抗为50Ω,与端口相连的微带馈线的阻抗为50Ω,取微带馈线的宽度w 1=1.15mm,取长度l 1=6.5mm;组成双指耦合结构的微带线的宽度w 2=1mm,长度l 2=4mm,阻抗为Z 1=53Ω;与微带馈线耦合的阶梯阻抗谐振器的高阻抗线(细带线)的宽度w 3=0.6mm,长度为l 3=10mm,阻抗为Z 2=70Ω;与微带馈线耦合的阶梯阻抗谐振器的低阻抗线的宽度w 4=1mm,长度为l 4=4mm,阻抗为Z 3=53Ω;双指耦合结构与SIR 的耦合间距g =0.2mm,n =0.2mm;扇形枝节的位置在与微带馈线耦合的阶梯阻抗谐振器的高阻抗线(细带线)中间,半径r 为1.86mm,角度θ为60°㊂上述各微带线的阻抗值通过2.1节的公式求得,电路几何参数通过HFSS 仿真得到㊂整个滤波器的电路尺寸为30mm×35mm×0.508mm㊂电路结构的顶层结构如图3所示㊂图3 三通带滤波器的顶层结构3 仿真结果及电路特性分析3.1 仿真环境采用ANSYS 公司的三维高频电磁仿真软件HFSS -15㊂计算机是联想笔记本,处理器是Intel(R)Core (TM )i3-3110M,CPU 主频为2.4GHz,内存大小为4GB,操作系统是64位Win⁃㊃3011㊃第59卷张志悦,姬五胜,童荥贇,等:一种基于SIR 结构的三通带带通滤波器第9期dows 7系统㊂本文所有仿真的迭代次数均设置为15次,仿真精度较高㊂3.2 扇形枝节对S 参数及谐振频率的影响在仿真过程中可知,扇形枝节的位置㊁半径㊁角度对S 参数及谐振频率也有影响,所以对是否加入扇形枝节㊁枝节的位置㊁半径和角度进行了仿真㊂图4所示为不加扇形枝节与加扇形枝节的S 参数㊂由图4可知,不加扇形枝节与加扇形枝节滤波器的第一㊁二个通带的中心频率相同;不加扇形枝节滤波器有两个通带,加入扇形枝节的滤波器有三个通带㊂增加通带个数的原因是,加入的扇形枝节与原始SIR 的高阻抗线形成了SLR,而SLR 可以增加通带的个数,实现多通带滤波器㊂图4 不加扇形枝节与加扇形枝节的S 参数3.3 扇形枝节的位置对S 参数及谐振频率的影响扇形枝节的位置对S 参数及滤波器通带频率的影响较大,所以选择一个最优的位置是此次设计的关键所在㊂图5(a)为第一个扇形的不同位置对应的S 参数(其中+表示相对于中间位置右移,-表示相对于中间位置左移),由图可知,调节扇形的位置,可以调节谐振频率,这是由于改变扇形枝节的位置,相当于改变2.1.2节的l 3,由公式(8)和(10)可知奇偶模谐振频率均与l 3相关㊂可以通过改变l 3来调节谐振频率,但无论第一个扇形左移还是右移,都使S 11变差,所以第一个扇形的最优位置在中间㊂第二个扇形对S 参数的影响原理与第一个扇形相同,不再赘述㊂图5(b)为第二个扇形的不同位置对应的S 参数(其中+表示相对于中间位置右移,-表示相对于中间位置左移),由图可知,扇形枝节在中间位置时S 参数最优㊂(a)第一个扇形不同位置对应的S参数(b)第二个扇形不同位置对应的S 参数图5 扇形不同位置对应的S 参数3.4 两个扇形的半径对S 参数及谐振频率的影响在仿真过程中可知,扇形枝节的半径会对S 参数及滤波器通带频率有影响,因为由公式(8)㊁(10)可知偶模谐振频率与扇形的半径有关㊂图6为扇形的不同半径对应的S 参数㊂图6 不同扇形半径对应的S 参数由图6可知,半径为1.86mm 时,S 11和S 21都较好,在7~8GHz 之间没有寄生通带;半径减小到1.28mm 时,带外的S 21变小,带外抑制变差,且在7~8GHz 之间有寄生通带;半径增加到2.45mm 时,前两个通带的是S 11变差,第三个通带的S 11变好,且㊃4011㊃ 电讯技术 2019年在7~8GHz 之间也有寄生通带㊂同时扇形的半径改变,谐振频率也发生了变化,所以可以通过调节半径使通带在需要的频率㊂由HFSS 仿真可知,半径为1.86mm 为最优值㊂3.5 两个扇形的角度对S 参数及谐振频率的影响在仿真过程中可知,扇形枝节的角度会对S 参数有影响㊂这是由于当半径一定时,改变扇形的角度相当于改变了扇形的面积,从而影响了微带线与扇形枝节的阻抗比,改变了谐振频率,也影响了S 参数㊂图7为扇形的不同角度对应的S 参数㊂图7 不同扇形角度对应的S 参数由图7可知,无论角度增大还是减小,第一个通带的S 参数变好,第二三个通带的S 参数变差;且改变角度,滤波器的通带频率改变㊂由HFSS 仿真可得,角度的最优值为60°㊂4 实物制作和测试根据上述设计结果制作了基于SIR 结构的三通带带通滤波器原型,如图8所示㊂图9显示了仿真与测量结果,由图可知,测量与仿真结果存在差异,通带内仿真结果的S 11优于测量结果的S 11,通带内仿真结果的S 21稍劣于测量结果的S 21;第一㊁二个通带之间的S 11的仿真结果优于第一㊁二个通带之间的S 11的测量结果,第一㊁二个通带之间的S 21的仿真结果劣于第一㊁二个通带之间的S 21的测量结果,这是由于S 11与S 21变化是相反的,S 11变差,S 21就相对变好㊂矢量网络分析仪测量结果与仿真结果存在偏差,其原因为:首先滤波器加工精度不够,滤波器的各项电路参数对其性能存在影响,如扇形的半径㊁微带线的长度等,当制作过程中使这些参数存在小的偏差时,滤波器性能会受到影响;其次,在测量过程中,滤波器电路外面加上屏蔽盒,该屏蔽盒有少量的辐射,会带来一定的偏差,因为仿真过程中采用理想屏蔽盒,使滤波器无能量辐射;最后,仿真过程中的端口设置是理想情况,实际滤波器电路的SMA 接头手工焊接,也会引起偏差㊂图8 三通带带通滤波器原型图9 三通带带带通滤波器的仿真与测量结果5 结束语本文设计了一款基于SIR 结构的三通带带通滤波器㊂以往的研究应用的枝节为短截线㊁短路枝节等,本文应用扇形枝节增加通带的个数㊂仿真表明,阶梯阻抗谐振器㊁双指耦合结构㊁枝节加载谐振器综合应用在滤波器设计中,可以实现三通带滤波器,通带频段提高且S 参数较好㊂此滤波器的第一个通带在5G 规划的3.3~3.6GHz,在5G 通信的低频段具有应用前景㊂但本文实现的滤波器三个通带的分数带宽较小,今后应尝试通过改变耦合长度等方法,在提高分数带宽的方向上继续探讨㊂参考文献:[1] 罗杰,冯菊,周海京,等.小型化宽频带宽阻带微带滤波器的设计[J].电讯技术,2014,54(10):1430-1434.[2] CHU Q X,CHEN F C.A novel dual-band bandpass filter㊃5011㊃第59卷张志悦,姬五胜,童荥贇,等:一种基于SIR 结构的三通带带通滤波器第9期using stepped impedance resonators with transmission ze⁃ros[J].Microwave and Optical Technology Letters,2010,50(6):1466-1468.[3] CHEN F C,CHU Q X.A compact dual-band bandpassfilter using meandering stepped impedance resonators[J].Microwave and Optical Technology Letters,2008,50(10):2619-2621.[4] CHEN F C,CHU Q X.Design of compact tri-band band⁃pass filters using assembled resonators[J].IEEE Transac⁃tions on Microwave Theory and Techniques,2009,57(1):165-171.[5] KUMAR N,KUMAR S pact single/dual band BPFwith harmonic suppression using open-loop resonator andL-shaped coupling arm[J].IET Microwaves,Antennasand Propagation,2017,11(5):625-633.[6] WEI F,JAY G Y,QIN P Y,et pact balanceddual-and tri-band bandpass filters based on stub loadedresonators[J].IEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters,2015,25(2):76-78.[7] CHU Q X,LIN X 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六阶S波段SIR带通滤波器设计
六阶S波段SIR带通滤波器设计余俊芳;温金芳【摘要】利用低温共烧陶瓷(LTTC)工艺,成功研制一款以波长阶跃阻抗谐振器(SIR)满足对应性能指标的六阶带通滤波器.为了提高反馈性能并抑制干扰信号,于是采用四分之一波长的阶跃阻抗谐振器设计一款典型的六阶带通滤波器,并通过仿真与试样测试来验证带通滤波器的改进结构特性.理论与试样实验分析结果表明,该带通滤波器的抗干扰性能好,整体的制造工艺简单,且花费的成本偏低.该带通滤波器适合在市场内进行推广.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2018(041)004【总页数】5页(P954-958)【关键词】步阶阻抗共振器;带通滤波器;低温共烧陶瓷;试样实验【作者】余俊芳;温金芳【作者单位】温州大学瓯江学院,浙江温州325035;黄淮学院信息工程学院,河南驻马店463000【正文语种】中文【中图分类】TN713随着无线通信系统的蓬勃发展,组件间的整合已成为重要研究课题。
在无线通信系统中,天线用于接收与发射信号,是不可缺少的组件[1]。
近年来,步阶阻抗共振器(SIRs)已为大量学者所关注。
通过调整步阶阻抗共振器的参数,可将第一谐波频率推至大于2f0处,且通过结合多个不同步阶阻抗共振器的设计,达到具有降噪的效果。
另一方面,若同时控制两频带中心频率,可用于设计双频带滤波器。
在这方面朱永忠,赵志远[2]作为较早期的研究者,但并未详细探讨滤波器的重要特性。
实现双频带滤波器的关键是调整几何参数,并同时选择两个频带满足需求的外部质量因素与耦合系数。
在文献[3]中,利用几何参数将外部质量因素与耦合系数的设计曲线有系统地建构出来,并加以论述与探讨,从而避免设计中出现不必要的错误。
文献[4]中提出一款双侧耦合线馈入架构,在相同耦合间隙下,它可以比传统单侧耦合线馈入架构得到更大的耦合[5]。
在天线与滤波器的整合方面,为减少电路面积,可以为一款预先设计好的带通滤波器[6]选适当反馈位置,直接插入矩形微带天线。
带通滤波器设计步骤
带通滤波器设计步骤带通滤波器设计步骤1、根据需求选择合适的低通滤波器原型2、把带通滤波器带宽作为低通滤波器的截止频率，根据抑制点的频率距离带通滤波器中心频点距离的两倍作为需要抑制的频率，换算抑制频率与截止频率的比值，得出m 的值，然后根据m 值选择低通滤波器的原型参数值。
滤波器的时域特性任何信号通过滤波器都会产生时延。
Bessel filter 是特殊的滤波器在于对于通带内的所有频率而言，引入的时延都是恒定的。
这就意味着相对于输入，输出信号的相位变化与工作的频率是成比例的。
而其他类型的滤波器（如Butterworth, Chebyshev,inverse Chebyshev,and Causer ）在输出信号中引入的相位变化与频率不成比例。
相位随频率变化的速率称之为群延迟（group delay ）。
群延迟随滤波器级数的增加而增加。
模拟滤波器的归一化归一化的滤波器是通带截止频率为w=1radian/s, 也就是1/2πHz 或约0.159Hz 。
这主要是因为电抗元件在1弧度的时候，描述比较简单，XL=L, XC=1/C ，计算也可以大大简化。
归一化的无源滤波器的特征阻抗为1欧姆。
归一化的理由就是简化计算。
Bessel filter特征：通带平坦，阻带具有微小的起伏。
阻带的衰减相对缓慢，直到原理截止频率高次谐波点的地方。
原理截止频率点的衰减具有的经验公式为n*6dB/octave ，其中，n 表示滤波器的阶数，octave 表示是频率的加倍。
例如，3阶滤波器，将有18dB/octave 的衰减变化。
正是由于在截止频率的缓慢变化，使得它有较好的时域响应。
Bessel 响应的本质截止频率是在与能够给出1s 延迟的点，这个点依赖于滤波器的阶数。
逆切比雪夫LPF 原型参数计算公式（Inverse Chebyshev filterparameters calculate equiations ）)(cosh )(cosh 11Ω=--Cn n 其中 1101.0-=A Cn , A 为抑制频率点的衰减值，以dB 为单位；Ω为抑制频率与截止频率的比值例：假设LPF 的3dB 截止频率为10Hz,在15Hz 的频点需要抑制20dB,则有：95.91020*1.0==Cn ；Ω=15/10=1.51.39624.0988.2)5.1(cosh )95.9(cosh 11===--n ,因此，滤波器的阶数至少应该为4图1 3阶逆切比雪夫LPF 结构如果用Ks 表示需要抑制频点的衰减dB 数，（说明：输入输出阻抗相等的情况下使用下面的公式）。
SIR交叉耦合双通带腔体滤波器
Ｓ Ｉ Ｒ Ｃｒ ｏ ｓ ｓ － － Ｃｏ ｕｐｌ ｉ ｎ ｇ Ｄｕ ａ ｌ ・ － Ｂａ ｎｄ Ｃａ ｖ ｉ ｔ ｙ Ｆｉ ｌ ｔ ｅ ｒ
ＫＯ Ｕ Ｘｉ ｎ ， Ｘ Ｉ Ａ Ｏ Ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ — ｙ ｉ ｎ ， ＨＵ ＡＮ Ｇ Ｃ ｈ ｕ ｎ — ｙ ａ ｎ ， Ｌ Ｉ Ｈａ ｏ ， Ｃ Ｈ Ｕ Ｊ ｕ ｎ － ｊ ｕ ｎ
ｄ ｕａ ｌ － ｂ ａ ｎ ｄ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ｙ ｉｌ ｆ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｂ ｓｅ ａ ｄ ｏ ｎ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｉ ｆ ｌ ｔ ｅ ｒ ｓ ｐｅ ｃ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ， ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｄ ｕ ａ ｌ — ｂ ａ ｎ ｄ ｉ ｆ ｌ ｔ ｅ ｒ ａ ｒ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ａ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ Ｓ Ｉ Ｒ ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ・ ｃ ｏ ｕｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ｄ ｕａ ｌ － ｂ ａ ｎ ｄ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ｙ ｉｌ ｆ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ３ Ｄ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ＨＦＳ Ｓ ． Ｓ ｉ ｍｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ ｓ ｈｏ ｗ ｇ ｏ ｏ ｄ ａ ｇ ｒ ｅ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｏ ｆ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｉ ｎ ＡＤ Ｓ ， ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｎｇ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ
一种新型SIR交指微带带通滤波器的设计
现代电子技术Modern Electronics Technique2023年6月1日第46卷第11期Jun.2023Vol.46No.110引言随着信息时代的飞速发展，各种通信需求不断呈现，相应的各类通信系统也应运而生，例如GSM （全球移动通信系统）、3G （第三代移动通信系统）、4G （第四代移动通信系统）、5G （第五代移动通信系统）等。
通信系统随着技术发展而更新迭代，对于射频前端器件的要求也日新月异。
微带带通滤波器是一种常用的无源器件，在滤除杂波、减小干扰、频率选择等应用中起到非常关键的作用[1]。
交指型带通滤波器由于结构简单、适用频率及相对带宽比较宽、产生谐波频率近似于三倍谐振频率，在工程应用中受到青睐。
随着技术的发展，微带带通滤波器尺寸的小型化、频率的高选择性需求越来越受到重视[2]。
小尺寸意味着整体模块在重量和空间上的轻量化；高选择性意味着器件性能上的优势。
在实现手段上，交指型带通滤波器较为常见的小型化方式是优化谐振结构以及缩小谐振单元的尺寸。
而对于高选择性，则主要关注其在带外抑制性能的提升。
本文设计了一种小尺寸且改善了抑制性能的交指型带通滤波器，可满足系统日益增加的小型化和高性能需求。
在小型化方面，文献[3]中总结介绍了LTCC （低温共烧陶瓷）技术、SIR 技术（阶梯阻抗谐振器）、DGS 技术（缺陷接地结构）、双模滤波器、左手材料等小型化技术。
但LTCC 技术对制备工艺要求较高，DGS 技术对加工精度有一定影响，双模滤波器以及左手材料的使用范围都具备一定的限制。
一种新型SIR 交指微带带通滤波器的设计杨新宇（中国电子科技集团有限公司第十研究所，四川成都610000）摘要：交指带通滤波器是工程应用中常用的带通滤波器，但随着产品的小型化及带外抑制性能要求的多样化，常规交指带通滤波器在使用上受到较多限制。
文中设计了一种新型SIR 交指型微带带通滤波器结构，对常规交指微带带通滤波器进行小型化以及抑制性能优化。
微带SIR滤波器的设计分析与仿真
微带SIR滤波器的设计分析与仿真作者：杨波张骏来源：《科技探索》2013年第09期中图分类号：TN 文献标识码:A 文章编号：1007-0745（2013）09-0209-021、引言在现代微波通信系统中，微波滤波器作为关键的无源器件直接影响着系统性能的优劣。
传统的微带滤波器由于分布参数传输线段周期性的频率响应，使得在主通带中心频率f0 一定距离处出现了寄生通带，对于抑制谐波非常不利。
与传统的微带滤波器相比，微带发夹型SIR滤波器具有尺寸小，成本低的特点，通过控制耦合线段与非耦合线段的阻抗比K，可以改变寄生通带中心频率在频率轴上的位置，为解决谐波抑制问题提供了有效途径。
本文首先介绍微带发夹型SIR带通滤波器的设计原理，并给出了设计微带发夹型SIR带通滤波器的通用设计方法。
最后以一个中心频率在3.45GHz的微带发夹型SIR带通滤波器为实例，结合仿真软件ADS对设计结果进行仿真优化，结果表明微带SIR带通滤波器具有的尺寸较小，寄生通带可控，能很好的抑制谐波等特点。
2、SIR带通滤波器设计原理2.1 半波长SIR结构原理SIR是由两个以上具有不同特征阻抗的传输线组合而成的横电磁场或准横电磁场的谐振器。
典型的半波长SIR结构如图1所示，开路端和短路端的特性阻抗和等效电长度分别为Z1、Z2和θ1、θ2。
开路端的导纳为：（1）式（1）中K为阻抗比， K= Z2 / Z1，θ1=θ2=θ。
谐振条件为：Yi=0，基频振荡条件为：。
θ0为基频f0对应的电长度，。
2.2寄生振荡条件假设寄生振荡频率为fsn(n=1,2,3,…)，对应的电长度为θsn(n=1,2,3,…)，从（1）式可得谐振条件为:；；。
以上可得出：(2), (3),(4)由此可看出，谐振条件取决于θ1、θ2和阻抗比K。
通过控制K值可以改变寄生振荡频率，使f 0的倍数处不产生寄生谐振，从而解决谐波抑制问题。
图 12.3SIR带通滤波器的通用设计方法平行耦合BPF的分布耦合电路参量可以由偶模阻抗Z oe和奇模阻抗Z oo以及耦合角θc 合表示。
SIR带通滤波器的设计（精品）
光纤与电缆及其应用技术Optical Fiber &Electr ic Ca ble2004年第5期No.5 2004[收稿日期] 2004-01-05[作者简介] 鞠 铭(1973-),男,上海交通大学电子工程系硕士研究生.[作者地址] 上海市逸仙路135号,200437产品设计SIR 带通滤波器的设计鞠 铭1,2, 鲍赛红2, 沈海根1(1.上海交通大学电子工程系,上海200030;2.中国电子科技集团公司第二十三研究所,上海200437) [摘 要] 利用微波网络理论分析了阶梯阻抗谐振器(SIR )平行耦合线带通滤波器的结构,给出了此类带通滤波器的设计实例,并结合射频和微波电路CAD 软件——A ngilent A DS 2000对其参数进行了仿真优化。
利用CA D 仿真优化大大地提高了设计的灵活性和准确性。
仿真结果表明,所设计的SIR 滤波器的性能与理论值相一致,能够满足工程设计的要求。
[关键词] 阶梯阻抗谐振器;微带线;平行耦合线;谐波抑制 [中图分类号] T N 713 [文献标识码] B [文章编号] 1006-1908(2004)05-0001-04Design of Stepped Impedance Resonator (SIR )FilterJU M ing 1,2, BAO Sai-hong 2, SHEN Hai-gen1(1.Electronic Engineering Dep .,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030,C hina ;2.The 23rd Research Institute ,CETC ,Shanghai 200437,China )Abstract :T he micr ow av e netw o rk theor y is used fo r analy zing the st ructure of stepped impedance r esonator fil-ter s that use parallel-co upled micr o str ip.T he desig n ex amples o f this kind o f band-pass filter s are g iv en,and their paramet ers ar e simulated and o ptimized using A ng ilent A DS 2000,a RF and micr ow ave circuit CA D so ftw are .T hr oug h simulation and o pt imization using CA D,t he flex ibility a nd accur acy of the design are enhanced significant -ly.T he simulatio n results indicate that the per for mance of the desig ned filter s is in agr eement w ith the theor etical predictio n,and can meet t he r equirements in engineer ing desig n.Key words :stepped impedance r esonato rs (SIR );micro str ip ;parallel -co upled micr o strip ;r estr aint o f har -monic0 前 言微波带通滤波器作为一种体积小、重量轻和可靠性高的微波混合集成电路广泛应用于通信领域。
基于SIR的同轴腔体带通滤波器设计
同轴谐振腔的 边长. 如果 SIR 总的 电长 度记为
T ( T = 1 + 2 ) , 则阻抗比 Rz 可以表示为:
ln( b )
Rz =
z2 = z1
a2
ln(
b a1
)
( 4)
以 2 = T - 1 代入( 3) 式, 求解:
Rz =
t an 1 ( t an T - tan 1 ) 1+ t an T t an 1
根据设计指标要求采用 Cheby shev 型滤波器 模型, 通过网络综合法得到滤波器的级数 n = 5,
各个谐振腔之间的初始耦合系数 K 值为: K 12 = K 45 = 0. 026 572 7, K 23 = K 34 = 0. 020 248 7, 谐振 腔与源和负载之间的有载品质因数 Qe = 28. 67. 因 为该滤 器的 对称结 构, 所 以 K 12 = K 45 , K 23 = K 34 , 谐振腔与源和负载之间的有载品质因数也相 等. 采用 J 型并联谐振回路[ 7] , 在 A nsof t D esigner 软件中建立电路模型如图 3 所示. 在图 3 中 Q u 是 腔体的固有品质因数, 根据实际情况取 Q u 等于 3 000. 电容 C 和电感 L 满足 L = C = 1/ ( 2 f 0) . 把设计指标中的各项技术指标值作为优化的 目标值, 将初始的 Qe 值和谐振腔之间的耦合系数 初值代入电路模型中进行优化, 可以得到优化后 各腔之间的耦合系数及谐振腔与源和负载之间的 有载品质因数: K 12 = K 45 = 0. 030 647 8, K 23 =
2 2
( 1)
设 Y i = 0, 那么( 1) 式的谐振条件为:
小型发夹型SIR微带带通滤波器的设计(转载)
小型发夹型SIR 微带带通滤波器的设计张 陈 龙摘 要：针对高性能射频滤波器结构复杂，尺寸大的问题，本文基于阶梯阻抗谐振器设计制作了一个中心频率为10.2GHz 的小型发夹型微带带通滤波器，通过把半波长阶梯阻抗谐振器耦合结构折合成“U ”字形，即发夹型结构改善了滤波器性能和缩小了滤波电路尺寸，通过软件仿真和对制作的硬件电路测试的结果表明，设计制作的滤波器在9.6GHz 到10.6GHz 范围内的插入损耗小于0.7dB ，带宽为1.71GHz ，通带中的≤11S -10dB 。
因此，该滤波器有效地抑制了寄生通带，而且结构更简单，尺寸更小。
关键词:阶梯阻抗谐振器 带通滤波器 寄生通带 发夹型 阻带抑制Abstract:For the complicated structures and big dimensions of high performance filter, a compact hairpin microstrip band -pass filter centered at 10.2 GHz is designed and developed based on stepped impedance resonator (SIR) .The performance of the filter is improved and the dimension is reduced by folding the half wavelength SIR's coupling structure to 'U' shape ,which is hairpin .The results of simulation and measurement of the filter demonstrate that the insert loss is less than 0.7 dB in the frequency from 9.6GHz to 10.6GHz ,the bandwidth is 1.71 GHz ,the S 11 in the pass band is less than -10 dB. It can be seen that this filter is not only suppress the spurious band effectively but also has a simpler and smaller structure .Key words: SIR;band -pass filter;hairpin;spurious band;stop band suppression1. 引言滤波器及其设计方法的发展已有相当长的历史，从电信发展的早期，滤波器就在电路中扮演着十分重要的角色，并随着通信技术的发展而取得不断的进步。
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第三章具有两个传输零点的六阶SIR耦合谐振带通滤波器3.1引言对于微波带通滤波器，由于分布参数的传输线段频率响应的周期性，使得在离开中心频率f0的主通带一定距离处出现了寄生通带[1]。
距离主通带最近的寄生通带，一般会出现在2f0或3f0处，这种频率点处的寄生通带对于谐波输出是不利的。
阶梯阻抗谐振器（stepped impedance resonators，SIR）结构通过调节耦合线段与非耦合线段的阻抗比，可以控制寄生通带出现的位置，从而更好的解决了谐波抑制问题，同时，SIR结构采用不同特性阻抗的传输线组成，在增加设计自由度的同时，极大程度上减小了滤波器的尺寸。
2012年，上海大学的马德臣等人设计出一种新颖的双频带带通滤波器，该滤波器由2个折叠型SIR构成，通过奇偶模分析，得到所要的中心频带2.4GHz和5.2GHz，在第一通带的回波损耗优于20dB，插入损耗小于0.2dB，且3dB相对带宽为6.3%；第二通带的回波损耗优于20dB，插入损耗小于0.5dB，且3dB相对带宽为3.4%，器件的整体尺寸为24mm×30mm [2]。
2014年，山西大学的梁学亮等人利用弯折双频谐振器的高阻抗部分微带线的方式，引入额外的结构参数，使得双频谐振器间的耦合结构和馈电位置在两个频段上具有相同的结构参数，进一步缩小体积，实现小型化双频滤波器的设计，该滤波器工作频率为2.4GHz和5.2GHz，回波损耗优于20dB，插入损耗小于1dB，相对带宽为20%，器件的整体尺寸仅为6mm×15mm[3]。
2015年，贵州大学的雷涛等对经典的二分之一波长的SIR结构进行弯折，采用变形的阶梯阻抗谐振器，引入高阻抗之间的交叉耦合，在滤波器的上下阻带各产生两个传输零点，具有典型的准椭圆函数响应特性，滤波器的相对带宽为47.3%，带内最小插入损耗为0.74dB，袋内回波损耗优于15dB，器件的整体尺寸为12.35mm×9.65mm[4]。
2016年，上海大学的王焕英等人提出一种新型中心频率可调谐的双频带通滤波器，该滤波器工作于2GHz和4.2GHz两个频段，通过调节谐振器末端加载的变容二极管以改变谐振器的电长度，达到可调的效果，中心频率可调范围分别为1.97~2.2GHz和4.15~4.3GHz，器件的整体尺寸为20.9mm×24mm [5]。
随着通信电子技术的发展，各类通信设备对小型化的要求越来越高，传统的PCB板技术由于技术上的局限性，已经无法满足这种小型化的需求，近年不断发展的低温共烧陶瓷（LTCC）技术能够充分利用三维空间，在基板内埋置多层各个种类的无源和有源器件，具有集成度高、尺寸小、射频性能优良等特点，得到广泛的研究与应用[6]。
2008年，中国工程物理研究院的陈鹏等人提出了一种小型多层低温共烧陶瓷三级带通滤波器的结构，采用SIR作为谐振单元，各谐振级位于两个平面，采用旋转对称结构，极大地减小了器件体积，并在输入输出之间跨接电容的方式，在滤波器的通带左侧引入传输零点，改善滤波器的带外抑制性能[7]。
2010年，电子科技大学的张鹏等人设计制作了一种新型SIR结构的LTCC带通滤波器，通过面间耦合的方式解决面边耦合容值不够的问题，并在上下两层添加对称的金属面实现连接带状线的电容和对地的电容，该滤波器的中心频率为2.46GHz，3dB带宽为2.28-2.71GHz，带外抑制大于25dB，外观尺寸为3.2mm×1.61mm×1.03mm[8]。
2013年，中国矿业大学的周丽等提出一种基于LTCC技术的折叠型SIR双通带带通滤波器，利用折叠线型SIR谐振器结构减小结构尺寸，并通过调节SIR的阻抗比和长度调节两中心的频率，该滤波器能够在5.2GHz和6.5GHz工作，插入损耗均小于2dB[9]。
2015年，昆明理工大学的朱友杰等人设计出一款应用于北斗导航系统的LTCC带通滤波器。
该滤波器采用SIR 结构，中心频率为1561MHz ，带宽为250MHz ，通带内插入损耗小于2.5dB ，带外抑制在GSM 的900MHz 频段大于50dB ，在GSM 的1800MHz 频段大于30dB ，在WIFI 频段优于30dB ，尺寸仅为4.5mm ×3.2mm ×1.6mm [10]。
2016年，昆明理工大学的郭绪跃等人研制出一种具有两个传输零点的六阶SIR 耦合谐振带通滤波器，在1，6阶引入反馈电容实现交叉耦合，改善了滤波器的带外抑制性能，并对滤波器的陶瓷介质材料厚度、金属微带线宽度、金属微带线厚度等工艺可调参数进行了容差分析；该滤波器中心频率为3250MHz ，带宽为300MHz ，带内插损小于3dB ，电压驻波比小于1.3，整体尺寸为6.8mm ×4.2mm ×1.5mm [11]。
3.2 SIR 交叉耦合谐振带通滤波器基本理论3.2.1 SIR 耦合谐振基本原理如图2.1所示，1/4波长SIR 谐振器由两段不同特性阻抗的传输线组成，对于一段电长度为θ，特性阻抗为Z 0的端接负载的无耗传输线，它的输入阻抗为：0in 00tan Z tan L L Z jZ Z Z jZ θθ+=+ （3-1） 所以从面S’看去，输入阻抗为Zins’=jZ 1tanθ1，同理它的输入阻抗为:112222112tan tan tan tan in jZ jZ Z Z Z Z θθθθ+=- （3-2） 作为一个并联谐振器，它的谐振条件为Y in =0，从而得到它的谐振条件为:2112tan tan 0Z Z θθ-= （3-3）也就是tanθ1 tanθ2= R z ，其中R z =Z 2/Z 1，从上式可知，对于SIR 来说，它存在三个自由度θ1，θ2和R z ，相对于只有长度和特性阻抗两个自由度传统的1/4波长谐振器来说，SIR 的设计有更大的空间。
in Y图2.1 1/4波长SIR 谐振器 3.2.2 SIR 谐振耦合系数分析对于带通滤波器的设计来说，除了对单个谐振器进行分析以外，另一个重要的内容就是两个谐振器之间耦合，谐振器之间耦合系数的大小将影响滤波器的带宽，而外部端口的耦合主要影响带内驻波。
两个谐振器之间的耦合系数可由公式（3-4）表示：2222121222221212()()x f f k f f ωωωω--=±=±++ （3-4） 其中f 1，f 2代表电壁谐振频率或磁壁谐振频率，可以利用软件的本征模求解器得到f 1和f 2。
3.2.3 SIR 输出耦合分析滤波器的输入输出耦合设计是SIR 谐振滤波器设计过程中必不可少的环节，其输入输出可采用容性或感性耦合，但是这样都将增加设计元件数量，而采用抽头式输出将简化设计，同时通过调节抽头位置可以调节外部耦合，在后期调式时也相对容易。
由于SIR 由高低阻抗两段传输线组成，所以抽头的位置可分为抽头位于高阻抗线部分和抽头位于低阻抗线部分两种情况，如下图2.2所示12in Y 12Z in Y图2.2 SIR 的输出耦合结构情况一：抽头位于高阻抗线部分。
设外部端口的阻抗为Z 0，端口采用特性阻抗为Z 0的传输线引出。
那么从抽头位置看到的输入阻抗有两部分并联组成，一部分是特性阻抗为Z 1电长度为θ1的短路线，另一部分是特性阻抗为Z 1电长度为θ3的传输线串联一段特性阻抗为Z 2电长度为θ2的开路线。
在谐振点处的外部品质因数：1121232tan (tan tan )e R Q Z Z Z Z θθθ=- （3-5）对于已经设计好的谐振器，那么Z 1、Z 2、θ2以及θ1+θ3都已经固定，只有θ1或θ3可以单独变化。
当θ1增大时，θ3减小，所以tanθ1增大，tanθ3减小，即分子减小；对于分母，tanθ3减小将使分母增大，所以总的来说θ1的增大将使Q e 的值降低，也就是说随着抽头位置远离接地端，Q e 将减小。
情况二：抽头位于低阻抗线部分同样在谐振点处抽头位置与外部品质因数的关系，可以推导得到：1122(tan tan )e R Q Z Z θθ=+ （3-6）当Z1、Z2、θ1以及θ2+θ3都已经固定时，当θ2增大时，tanθ2增大，分母将增大，所以总的来说随着θ2增大，Q e将降低。
3.3滤波器的设计与仿真本章所介绍的滤波器的设计实例为具有两个传输零点的六阶SIR耦合谐振带通滤波器，该滤波器采用LTCC工艺，利用HFSS软件进行建模仿真，该带通滤波器由六个1/4波长SIR 谐振器和一个“工”型反馈层构成，可以通过调节谐振器的中心频率及耦合间距，控制带通滤波器的中心频率及带宽，通过反馈层调节控制传输零点的位置。
该滤波器的中心频率为3.25GHz，带宽300MHz，带内损耗<2.5dB，在2.71~2.86GHz频段内，抑制优于32dB，在3.64~4.38GHz频段内，抑制抑制优于40dB。
3.3.1三维模型的建立1设计的相关设置（1）启动HFSS15软件，初始界面为软件默认新建的一个名为“Project1”的工程文件可右键点击工程文件名“Project1”执行菜单命令【Rename】，将工程文件名称进行重命名，如图3.1所示。
图3.1 ：重命名工程文件（2）点击菜单栏中的新建设计图标，在工程文件“Project1”中新建一个设计文件，系统默认名称为“HFSSDesign1”。
可右键点击名称重新命名。
其工程界面如图3.2所示。
图3.2：HFSS的工程界面（3）执行菜单命令【Modeler】>【Units】，在打开的“Set Model Units”对话框中，将系统默认的模型尺寸单位设置为“mm”，然后单击【OK】按钮，完成单位设置，如图3.3所示。
图3.3：模型尺寸单位设置（4）求解模式设置。
执行菜单命令【HFSS】>【Solution Type】，弹出如图3.4所示对话框，选择“modal”驱动模式，单击【OK】按钮，完成求解模式设置。
图3.4：求解模式设置（5）为了方便对所画模型进行属性设置，需要对【Modeler Options】中的相关选项进行勾选，执行菜单命令【Tools】>【Options】>【Modeler Options】，在打开的“Modeler Options”对话框中，选择“Drawing”标签，在标签页中勾选“Edit properties of new pri”选项，如图3.5所示。
在勾选了此选项后，每添加一个新的模型，都会自动弹出新模型属性对话框，对模型的材料，尺寸等进行快速的设置。
图3.5：模型属性窗口弹出设置2滤波器三维模型的建立（1）空气盒子的建立。
单击图标，在工作区右下角的坐标栏中分别输入模型的起点坐标，点击回车键【Enter】确认，再一次输入增量坐标，点击回车键【Enter】，弹出如图3.6所示的模型属性对话框。