基于枝节加载结构的微波双通带滤波器的研究

基于枝节加载结构的微波双通带滤波器的研究一、引言随着5G通信、物联网、虚拟现实等技术的迅猛发展，频谱资源愈发紧张，对微波接收设备提出了更为严苛的要求。在此背景下，高性能、小型化、多频带、易集成的滤波器成为微波射频领域的研究焦点。利用微带线技术设计的多模谐振器，凭借尺寸小、谐振模式灵活以及易集成等优势，在多通带滤波器设计中得到广泛应用。目前，基于多模谐振器设计的多通带滤波器主要分为两类：一腔多模型和多腔多模型。前者利用谐振腔内不同谐振模式间的相互耦合形成通带，但随着通带数量增加，滤波器复杂度大幅上升，且带外抑制能力欠佳；后者借助不同谐振腔中同一谐振模式间的相互耦合来构建通带，然而，此类多模谐振器通常难以级联，不利于形成高阶滤波器，并且独立调控每个通带的频率和带宽颇具难度。基于此，本文聚焦于基于枝节加载结构的微波双通带滤波器展开深入研究，期望设计出结构简约、尺寸小巧、通带间隔离度高，且能灵活调控两个通带中心频率和带宽的滤波器。二、枝节加载结构的原理分析2.1多模谐振器的结构与特性本文所研究的基于枝节加载的多模谐振器，包含一个均匀阻抗线和两个位于均匀阻抗线同一侧的阶梯阻抗加载枝节。均匀阻抗线的中部沿特定方向（设为X向）延伸，两个阶梯阻抗加载枝节的一端分别与均匀阻抗线的中部相连，均匀阻抗线的两端分别沿垂直于X向的方向（设为Y向）弯折并延伸至均匀阻抗线远离阶梯阻抗加载枝节的一侧。两个阶梯阻抗加载枝节从均匀阻抗线的中部沿Y向伸展，接着分别沿X向弯折并相互背离，随后再沿Y向朝着均匀阻抗线弯折，且两个阶梯阻抗加载枝节沿Y向的弯折端分别与各自的阻抗矩形片连接。该多模谐振器具备多模特性，其对称结构便于运用奇偶模分析方法对电路进行剖析。多个此类多模谐振器级联后，有助于提升滤波器的带外抑制性能。当多个多模谐振器耦合时，由于其自身结构特性，偶模耦合路径与奇模耦合路径相互分离，这使得对第二个通带的中心频率、耦合系数以及外部品质因数的独立控制成为可能。2.2奇偶模分析方法对于这种对称结构的多模谐振器，采用奇偶模分析方法能够深入理解其工作原理。在奇模分析时，对称平面可等效为理想电壁，对地呈现短路状态；在偶模分析时，对称平面可视为理想磁壁，对地表现为开路状态。通过对奇偶模等效电路的分析，能够得出奇模谐振频率和偶模谐振频率的表达式。以常见的开路枝节加载的双模谐振结构为例，设开环微带线长度为L_1，中心枝节线长度为L_2，两段微带线对应的特性导纳分别为Y_1、Y_2，则奇模谐振频率f_{o,n}满足：f_{o,n}=\frac{nc}{2L_1\sqrt{\varepsilon_{e}}}其中，n=1,2,3...，c是真空中的光速，\varepsilon_{e}是所用介质的有效介电常数。奇模谐振频率仅受开环微带线长度L_1影响，与中心枝节线尺寸无关。偶模谐振频率f_{e,n}为：f_{e,n}=\frac{nc}{2\sqrt{\varepsilon_{e}}\left(\frac{L_1}{2}+L_2\frac{Y_2}{Y_1}\right)}当Y_1=2Y_2时，偶模频率大小与加载枝节线和半波长微带线的尺寸相关。通过调节枝节线的尺寸，可以灵活控制奇偶模的频率关系，进而影响滤波器的性能。2.3传输零点的产生与控制该多模谐振器结构自身可产生传输零点，传输零点的位置与奇偶模频率大小密切相关。若偶模频率小于奇模频率，零点频率位于通带左侧；反之，则位于频带右侧。其产生原理在于，中心枝节线可等效为在半波长微带线上串联了一个LC谐振电路。当LC电路谐振时，其等效阻抗为0，此时对称位置处的电压为0，相当于短路。当某一频率的信号从源端输入，若此时枝节线发生谐振，该频率分量的信号将被短路而无法到达输出端，从而在响应中出现传输零点。传输零点的频率受加载枝节线的影响，具体表现为与奇偶模模式频率的大小有关。在半波长微带线中心位置向加载枝节线看去，其等效输入阻抗Z_{in}为：Z_{in}=jZ_0\frac{Y_2\tan(\betaL_2)+Y_1\tan(\betaL_1/2)}{Y_1-Y_2\tan(\betaL_2)\tan(\betaL_1/2)}若枝节线发生谐振，谐振器中心位置处电压为零，等效为短路，即Z_{in}=0，由此可得传输零点频率f_z。通过合理调整加载枝节线的长度等参数，可以精确控制传输零点的位置，从而优化滤波器的频率选择性。三、微波双通带滤波器的设计3.1滤波器的整体架构基于枝节加载的多模谐振器，设计的微波双通带滤波器包括介质基板，在介质基板的一侧设置有微带线。微带线涵盖输入端口、输出端口以及四个相互间隙耦合的多模谐振器。输入端口和输出端口相对布置，四个多模谐振器依次间隔排列于输入端口和输出端口之间。输入端口上连接有第一输入馈线、第二输入馈线和第三输入馈线，输出端口上连接有第一输出馈线、第二输出馈线和第三输出馈线。第一输入馈线和第二输入馈线配合半包围在最靠近输入端口的阶梯阻抗加载枝节的外侧，通过间隙耦合实现输入端口与阶梯阻抗加载枝节的馈电；第三输入馈线的端部与均匀阻抗线最靠近输入端口的沿Y向弯折的一端通过间隙耦合实现输入端口与均匀阻抗线的馈电。同理，第一输出馈线和第二输出馈线配合半包围在最靠近输出端口的阶梯阻抗加载枝节的外侧，通过间隙耦合实现输出端口与阶梯阻抗加载枝节的馈电；第三输出馈线的端部与均匀阻抗线最靠近输出端口的沿Y向弯折的一端通过间隙耦合实现输出端口与均匀阻抗线的馈电。3.2通带中心频率的调控通过调整阶梯阻抗加载枝节的长度L_1和阻抗矩形片沿Y向的长度L_2，可以同时对两个通带的中心频率进行控制。同时，通过调整均匀阻抗线13上被两个阶梯阻抗加载枝节分隔出的两端的长度L_3和L_4，能够独立控制第二个通带的中心频率。在实际设计双通带滤波器时，可以先通过调节两个阶梯阻抗加载枝节和阻抗矩形片的长度来确定第一个通带的中心频率，然后通过调节L_3和L_4来确定第二个通带的中心频率，以此实现两个通带中心频率的灵活调控。3.3通带带宽的调节调整相邻两个多模谐振器的阶梯阻抗加载枝节的沿X向的间距S_1，能够同时控制两个通带的带宽；调整相邻两个多模谐振器的均匀阻抗线的沿X向的间距S_2，可以独立控制第二个通带的带宽。这种对通带带宽的灵活调节能力，使得滤波器能够更好地满足不同应用场景的需求。四、性能仿真与分析4.1仿真模型的建立利用专业的微波仿真软件，根据设计的滤波器结构和参数，建立精确的仿真模型。在模型中，详细设置介质基板的材料参数、微带线的尺寸以及多模谐振器的各项参数等，确保仿真模型能够准确反映实际滤波器的物理特性。4.2仿真结果分析通过对仿真结果的分析，得到滤波器的频率响应特性。从仿真结果可以看出，该滤波器成功实现了两个通带，且通带间隔离度高。在第一个通带和第二个通带内，插入损耗较小，满足实际应用的要求。同时，在带外区域，由于传输零点的存在，滤波器具有较高的带外抑制度。该滤波器具有5个传输零点，有效抑制了带外干扰信号。通过对不同参数下仿真结果的对比分析，进一步验证了通过调整相关参数能够灵活控制通带中心频率和带宽的设计思路。例如，当增大L_1和L_2时，两个通带的中心频率均向低频方向移动；当增大S_1时，两个通带的带宽均增大。五、实验验证5.1滤波器的制作根据设计的参数，选用合适的介质基板材料，采用微带线制作工艺，精确加工滤波器的微带线结构和多模谐振器。在制作过程中，严格控制加工精度，确保各部分尺寸与设计值相符，以保证滤波器的性能。5.2测试结果与分析使用矢量网络分析仪对制作好的滤波器进行测试，得到滤波器的实际频率响应。将测试结果与仿真结果进行对比，发现两者基本吻合。在通带内，插入损耗的实测值与仿真值略有差异，但均在可接受范围内；通带中心频率和带宽的实测值也与设计值较为接近。在带外区域，传输零点的位置和带外抑制度的实测结果与仿真结果基本一致。通过实验验证，证明了基于枝节加载结构的微波双通带滤波器设计的可行性和有效性。六、结论本文对基于枝节加载结构的微波双通带滤波器进行了全面深入的研究。通过对枝节加载多模谐振器的结构、奇偶模特性以及传输零点产生机理的分析，设计出了一种新型的微波双通带滤波器。该滤波器结构简单、尺寸小，具有5个传