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谐波抑制优越的小尺寸L-波段微带低通滤波器
材料来源:《微波杂志》2018年11/12月号           录入时间:2018/12/21 8:53:07

谐波抑制优越的小尺寸L-波段微带低通滤波器

L-Band Microstrip Lowpass Filter with Small Size and Excellent Harmonic Suppression

Amirhossein GhaderiSaeed Roshani,伊斯兰阿扎德大学,克尔曼沙赫,伊朗

具有极宽抑制带的微带低通滤波器(LPF),尺寸非常小,截止频率(fc)1.89GHz,对234次谐波(2.3865GHz)的抑制不低于24dB。滤波器的拓扑结构简单,由对称的改进T形谐振器、对称的改进旗形(SMF)谐振器和开路短截线组成,后者作为抑制元件实现超宽的阻带。通带纹波低于0.15dB。整体尺寸仅为0.153λg×0.065λg,其中λgfc处的导波长。该滤波器的品质因数(FOM)高达32.465,通带回波损耗优于14.8dB

点此查看含图、表、公式、参考文献的全文。

微带LPF具有如高抑制性、小尺寸、宽阻带等期望的性能,广泛应用于电信系统,用来抑制不希望出现的带外尖峰【1-2】。Raphika等人【3】报导了一种使用改进T形谐振器的LPF。为了增加该滤波器的阻带宽度,使用了四个阶梯阻抗短截线。然而,谐波抑制效果一般。Kalimi等人【4】开发了一种微带LPF,利用T形和U形谐振器达到适当的抑制水平。为了加宽阻带,增加了径向短截线,尽管这种结构本身阻带窄、占地大。Zhang和Li【5】介绍了一种尺寸大、阻带窄的双层LPF。Verma等人所报道的结构【6】很简单,但体积很大,阻带也很窄。Kufa和Raida【7】引入了传统的LPF,使用开路短截线和嵌入的缺陷接地来减小电路尺寸;然而,它具有平缓的过渡带、巨大的尺寸和很弱的谐波抑制。文献【8-10】研究了一些通带内回波损耗高的低通滤波器,但是它们受到宽过渡带和窄阻带的挑战。用缺陷接地平面来增加阻带宽度的尝试只取得了有限的成就,并且这些滤波器也很大【11-16】。Hayati等人【17】报道了一种采用六角形谐振器的紧凑的LPF,其通带回波损耗高。为了获得较高的抑制水平,采用矩形短截线。然而,这种结构仅抑制到7次谐波。Mirzaee和ViDe的对称LPF【18】受到渐进截止和大尺寸的限制。Liu等人的LPF【19】具有平缓的过渡带和狭窄的阻带。最近,文献【20】提出了一种具有高回波损耗的新型LPF,使用了对称拓扑。

本文提出一种具有带外抑制的新型LPF,它使用对称的改进T形谐振器,其有益的特性表现在紧凑、从2.38至65GHz的极宽阻带、通带中的高回波损耗(14.8dB)和拓扑简单。

滤波器设计

图1给出了T形谐振器的设计顺序,包括谐振器1、谐振器2和谐振器3的布局及其|S21|的仿真响应。谐振器1由两个矩形开口短截线和一个与窄传输线相连的高阻抗短截线组成。谐振器1具有平缓的过渡带,通带纹波高。利用附加的低阻抗短截线(谐振器2),实现了相对陡峭的过渡带。对于更陡峭的过渡带和可忽略的通带纹波,使用对称拓扑(谐振器3)。

高-低阻抗无损线(见图2a)的电感和电容根据式(1)和(2)计算,开路短截线(见图2b)的电容也是如此【2】。短截线的电感可以忽略不计。

为了建立阻带,采用对称的改进T形谐振器,如图3a所示,谐振器的L-C模型如图3b所示。传输线的电感和电容分别标记为L1和C1。L2和C2分别为高阻抗短截线的电感和电容。C3是开路低阻抗短截线的电容。低阻抗短截线的电感可以忽略不计。L-C模型的取值见表1。EM和L-C仿真结果(见图3C)表明在2.83 GHz存在传输零点(TZ1)。采用先进设计系统(ADS)软件对LPF进行仿真,假定RT-Duroid 5880衬底(εr=2.2,h=0.381mm,损耗角正切值=0.0009)。谐振器的物理尺寸(单位:mm)为:H1=3.3,H2=8.75,H3=0.42,H4=3.55,H5=0.137,W1=0.1,W2=3.43,W3=0.1,W4=2.46,W5=0.38,W6=0.4。TZ1的计算采用图3b的L-C模型。

对于两端口网络【1】,ABCD矩阵定义为

其中

根据式(4)和(5),可得所提谐振器的ABCD参数

由ABCD参数,S21为【1】

所提谐振器的S21

从式(11)中提取传输零点(TZ1

根据式(12),TZ1是C3的函数,这里C3是H1的电容。通过减少H1的长度,TZ1和截止频率移至更高频率(见图4)。因此,截止频率由TZ1调节。对于低截止频率,TZ1调谐到2.872 GHz。表2中总结了C3和H1在不同取值时的截止频率。

对称的改进旗形谐振器

图5a给出了SMF谐振器的布局,而L-C模型如图5b所示。传输线的电感和电容分别为L3、L4和C4。L5是高阻抗和低阻抗短截线的电感之和。C5是开路低阻抗短截线电容。高阻抗短截线的电容可以忽略不计。在表3中给出了L-C模型值。EM和L-C仿真结果如图5C所示,与模型一致。SMF谐振器在7.6 GHz下产生传输零点(TZ2)。这种结构的物理尺寸(以mm计)为:W7=3,W8=0.29,W9=0.41,W10=0.25,W11=0.1,W12=3.25,H6=3.24,H7=2.97,H8=13.61和H9=0.37。

根据式(10)计算SMF谐振器的S21为

从式(13)中提取TZ2

根据式(14),TZ2由L5调谐(见图6)。

为了获得宽阻带,将对称的改进T形谐振器和SMF谐振器组合在一起,如图7a所示。组合谐振器的电磁仿真如图7b所示。

该结构有两个传输零点(TZ1和TZ2)分别位于2.7 GHz和6.6 GHz。

原始的和改进的LPF

为了增加过渡带的锐度,将四个径向短截线添加到组合谐振器中(见图8)。原始LPF具有尖锐的过渡带,但阻带窄。这种结构的物理尺寸(以mm为单位)为:W13=6.73,W14=0.88,W15=2.33,W16=0.64,H10=0.25,R1=4.06,θ1=20度。

根据图8b,阻带受限于传输极点。为了实现更宽的阻带,添加四个开路短截线作为抑制元件,产生一些传输零点(参见图9)。电路布局和EM仿真分别如图10a和10b所示。这种改进的LPF的回波损耗高,并且阻带被扩展到35 GHz以上。物理尺寸(mm)为:W17=1.5,W18=0.1,W19=1.52,H11=2.79,H12=0.76。

最终的滤波器设计采用四个半圆形短截线(见图11)。它具有超宽的阻带(2.38至65 GHz)以及上至34次谐波的高衰减(24 dB)。物理尺寸(mm)为:W19=0.69,Wm=1.17,Hm=1.5,R2=0.25,θ2=180度。

仿真与测量

LPF装在RT-Duroid 5880(εr=2.2,h=0.381mm,损耗角正切值=0.0009)上,使用ADS软件进行仿真,并用Keysight 8757A网络分析仪进行测试(参见图11c)。它表现出从2.38到65GHz的超宽阻带,24dB抑制可达34次谐波。最终的滤波器在通带中具有3 dB截止频率1.89 GHz和高回波损耗(14.8dB)。总体尺寸仅为17.7 mm×7.5 mm(0.153λg×0.065λg)。参照Hayati等人【17】列出的规范,具备这些特性,有益于无线应用。该滤波器与其他报道成果的对照列于表4。该滤波器具有最大的阻带、最小的尺寸和最高的FOM。

在表4中,过渡带锐度(ξ)定义为

其中αmin和αmax分别为-3dB和-40dB处的抑制点。fs是对应于αmax的频率,fc是对应于αmin的频率。相对阻带带宽(RSB)为

         (16)

抑制因子(SF)为

         (17)

归一化的电路尺寸(NCS)为

      (18)

对于2D和3D电路,架构因子(AF)分别定义为1和2,FOM为

结论

本文加工和测试了一款超宽抑制带LPF,它采用对称的改进T形和旗形谐振器。阻带宽度为62.62 GHz(从2.38到65 GHz),具有超过24dB的抑制。相比近期其他报道,这种配置具有最好的谐波抑制性能(从2到34次)和最小的尺寸。


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