一种具有谐波抑制特性的紧凑型微带低通滤波器

A Compact Microstrip Lowpass Filter with Harmonic Suppression

Chun-Ping Ge、Yong-Qin Liu，渭南师范大学，Yan Dou，渭南师范大学、电子科技大学

本文设计的具有谐波抑制特性的紧凑型微带低通滤波器具有超宽带的抑制特性。它由一个三角形贴片谐振器和一个具有120°径向双“翼”的蝶形贴片谐振器组成。滤波器的3dB截止频率为1.78GHz，实现了158％的谐波抑制带宽，可抑制12次谐波。其尺寸小，仅为14.5mm×18mm，对应0.133λ_g×0.165λ_g，其中λ_g是在1.78GHz下的导波长。

在微波通信系统中通常需要小尺寸和高性能的平面低通滤波器来抑制谐波和寄生信号。常规设计方法是利用具有分路短截线和半集总元件的高、低阻抗传输线进行设计。然而，这些方法阻带抑制性差，滚降特性平坦，且尺寸较大^[1,2]。

近些年来，减小尺寸和提高性能的滤波器设计技术得到了广泛的研究^[3-7]。Li等人^[3]将多个阶梯阻抗发夹式谐振器串联起来，以大尺寸和高通带插损为代价实现了急剧滚降和宽阻带抑制特性。Hayati和Lotfi^[4]将多个半圆形和半椭圆形贴片谐振器级联起来，实现了宽阻带抑制特性，但需要在尺寸和性能之间进行权衡。为了进一步提高阻带性能，Ma等人^[5]提出了一种级联LC谐振结构和转换径向短截线的低通滤波器，但电路尺寸大、设计复杂度高。Ma和Yeo^[6]用径向短截线替代传统的低阻抗短截线以实现宽阻带抑制，阻带带宽可以提高，但滚降特性并不理想。缺陷地结构和多层结构也被用于此类设计^[7]，但增加了设计复杂度。

本文描述了一种具有谐波抑制特性的紧凑型微带低通滤波器。设计中使用了三角形贴片和蝶形贴片谐振器，实现了紧凑的尺寸和超宽带抑制特性。并通过传输线弯折进一步减小尺寸。所设计的滤波器具有2.83-21.6GHz的谐波抑制频带，抑制度优于15dB，通带插损小于0.3dB，紧凑的设计尺寸为：0.133λ_g×0.165λ_g，其中λ_g为1.78GHz处的导波长。

滤波器设计

图1给出了滤波器的结构图。它由高阻抗和低阻抗微带主传输线和两种类型的谐振器组成。谐振器1由串联的高阻抗传输线和蝶形贴片组成。谐振器2是一个三角形贴片。为了说明设计理论，这里分别讨论了两种谐振器的频率响应。

图1：微带低通滤波器结构。

图2a给出了仅有谐振器1时的低通滤波器的仿真频率响应。除了在7.5GHz附近的窄带寄生响应之外，该滤波器具有较宽的谐波抑制特性。为了消除这种寄生通带，引入了三角形贴片谐振器。如图2b所示，具有谐振器2的低通滤波器的仿真频率响应具有宽阻带特性。通过控制结构的大小可以调节传输零点并使之在7.5GHz附近。同时应用两个谐振器可以实现宽阻带特性，如图2c所示，它显示了同时具有谐振器1和2的低通滤波器响应。

图2：低通滤波器响应的仿真结果：（a）只有谐振器1；（b）只有谐振器2；（c）同时具有谐振器1和2。

微带滤波器（见图3）采用介电常数为3.38、厚度为0.813mm、损耗角正切为0.0027的RT/Duroid 5880板材加工。尺寸（如图1所示）为：l₁ =2.4mm，w₁ =2.6mm，w₂ =0.4mm，w₃=0.5mm，w₄=1.5mm，w₅=0.5mm，l₂=5.1mm，l₃=5.6mm，l₄=3.9mm，r=8.5mm和θ=120°。

图3：微带低通滤波器实物照片。

仿真与测量

本文使用Keysight N5244A矢量网络分析仪测量了滤波器的性能。图4所示的测量和仿真结果非常吻合。测得的3dB截止频率为1.78GHz（见图5）。该滤波器可抑制高达12次谐波，寄生频率在2.37至18.20GHz之间被抑制度大于17dB。为了进行比较，表1总结了本文以及其他已发表的低通滤波器的性能。

图4：仿真与测量的低通滤波器性能对比。

图5：仿真和测量的通带插入损耗对比。

总结

本文设计、加工和测量了一款截止频率为1.78GHz、谐波抑制性能良好的微带低通滤波器。该滤波器具有通带内插损小、结构紧凑等良好性能。该滤波器具有非常宽的阻带，能够抑制12次谐波。本文提出的具有如此性能的滤波器结构在现代通信系统中具有潜在的应用价值。

参考文献

1.          D. M. Pozar, “Microwave Engineering, 3rd Edition,” Wiley, N.Y., 2005, pp. 412–415.

2.          X. B. Wei, P. Wang, M. Q. Liu and Y. Shi, “Compact Wide-Stopband Lowpass Filter Using Stepped Impedance Hairpin Resonator with Radial Stubs,” Electronics Letters, Vol. 47, No. 15, July 2011, pp. 862–863.

3.          J. Li, Z. F. Li and Q. F. Wei, “Compact and Selective Lowpass Filter with Very Wide Stopband Using Tapered Compact Microstrip Resonant Cells,” Electronics Letters, Vol. 45, No. 5, February 2009, pp. 267–268.

4.          M. Hayati and A. Lotfi, “Elliptic-Function Lowpass Filter with Sharp Cutoff Frequency Using Slit-Loaded Tapered Compact Microstrip Resonator Cell,” Electronics Letters, Vol. 46, No. 2, January 2010, pp. 143–144.

5.          M. Hayati, A. Sheikhi and A. Lotfi, “Compact Lowpass Filter with Wide Stopband Using Modified Semi-Elliptic and Semi-Circular Microstrip Patch Resonator,” Electronics Letters, Vol. 46, No. 22, October 2010, pp. 1507–1509.

6.          K. X. Ma and K. S. Yeo, “New Ultra-Wide Stopband Low-Pass Filter Using Transformed Radial Stubs,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 59, No. 3, April 2011, pp. 604–611.

7.          A. Bouteidar, A. Batmanov, A. Omar and E. Burte, “Design of Compact Low-Pass Filter Using Cascaded Arrowhead-DGS and Multilayer Technique,” Asia Pacific Microwave Conference, December 2008.

8.          L. Ge, J. P. Wang and Y. X. Guo, “Compact Microstrip Lowpass Filter with Ultra-Wide Stopband,” Electronics Letters, Vol. 46 , No. 10, June 2010, pp. 689–691.