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

1、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 1

2.3SIR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。根据电路理论可得：

（5）,

（6）。

当谐振器节元件值gi和相对带宽W给出后，并且耦合节具有相同阻抗Z2时，J可以表示为：

（7），（8），

（9），

其中θ0为耦合节的电长度，这样通过式（5）式到（9）式就可以设计SIR 滤波器了。

3、SIR带通滤波器设计实例

根据上述设计原理，设计一个工作在3400MHz～3500MHz的微带发夹型SIR 带通滤波器。SIR-BPF的设计指标为：

中心频率：3450MHz；带宽：100MHz；寄生通带：f s≥2.5f 0；带内波纹：≤0.1dB；带外抑制：≥30dB（偏离中心频率±100MHz）。

根据式（2）可得：K≤0.5279，取K=0.5，Z1=100，Z2=50，则可以求得θc=0.61548rad=35.26O，f s=2.552f 0。选取带内纹波为0.1dB切比雪夫原型，Ωs=2，通过查图表取n=5，其它值为：g0= g6=1.0000g1= g5=1.1468，g2= g4=1.3712，g3=1.9750 。通过式（7）式到（9）式可以算得：J01= J56=0.176388 Y0 ，J12= J45=0.02845 Y0 ，J23= J34=0.021682 Y0 。带入式（5）、（6）可以得出奇模和偶模阻抗：(Zoe)01=(Zoe)56=71.2，(Zoe)12=(Zoe)45=52.6，(Zoe)23=(Zoe)34=51.9 (Zoo)01=(Zoo)56=38.8，(Zoo)12=(Zoo)45=47.7，(Zoo)23=(Zoo)34=48.2。为考虑微带板便于加工和滤波器功率容量，选择相对介电常数较低的介质板ARLON的DiClad 522，εr=2.50，厚度为0.508mm，覆铜厚度为18um，通过ADS仿真软件可以计算出各耦合单元微带线的尺寸，并通过该数据在ADS中建立模型进行仿真，图2为其仿真结果。可以看出虽然寄生通带抑制满足指标要求，但通带带宽变窄，不符合指标要求，需要在此基础之上进行优化，以满足设计指标要求。

图 2 SIR-BPF频率响应仿真结果图 3 SIR-BPF频率响应仿真结果

通过ADS对滤波器进行优化，使其达到指标要求，优化后结果如图3，通带3400MHz～3500MHz内的最大插损为0.052dB，偏离通带中心频率±100MHz 的抑制大于31.7dB，寄生通带大于8700MHz。同时可以看出对通带内信号的的二次谐波抑制大于131dB，三次谐波抑制大于105dB。最终确定滤波器结构图如图4。

图 4 SIR-BPF结构图

4、结论

本文先通过对半波SIR结构原理和寄生振荡条件进行了分析，阐述了阻抗比K值对寄生通带的影响与设计的灵活性。再给出了微带SIR带通滤波器的设计方法，并通过该方法计算中滤波器的物理尺寸，最后通过仿真验证了计算的可行性。而仿真软件的优化可以使滤波器的设计更加准确。设计的结果可以看出SIR带通滤波器通过对K值的选取，可以得到很好的谐波抑制特性。

参考文献：

[1]盛振华.电磁场微波技术与天线.西安:西安电子科技大学出版社,1995.

[2]袁子伦,张宏,张国光.微带发夹型阶跃阻抗带通滤波器[J].科学技术与工程,2010,10(6):1387-1391.

[3]陈世勇,刘丹坪,张冬雪,谭晓衡.微带多耦合SIR带通滤波器的设计[J].重庆大学报,2008,10(3):1195-1194.

[4]Makimoto M,Yamashita S.无线通信中的微波滤波器与谐振器.赵宏锦,译.北京:国防工业出版社,2002

[5]鞠铭,鲍赛红,沈海根.SIR带通滤波器的设计[J].光纤与电缆及应用技术,2004,(5):1-5.

[6]清华大学微带电路组.微带电路.北京:北京人民邮电出版社,1975.