C波段SIR滤波器小型化的研究

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而广泛应用于通信领域。随着移动通信技术的发展，研制小型化高性能的微波滤波器已成为一种趋势。SIR（阶梯形阻抗谐振器）平行耦合带通滤波器是一种比较独特的平行耦合带通滤波器，由Mitsuo Makimoto和Sadahiko Ya-mashita于1980年首先提出，它是低噪声末级放大器和混频器之间必不可少的关键部件。与传统的微带滤波器相比，微带发夹型SIR（阶梯阻抗谐振器）滤波器除具有尺寸小，易于集成，成本低的特点外，通过控制耦合线段和非耦合线段，还可以控制寄生通带的位置，从而解决谐波抑制的问题，因而在在L波段和S波段得到了广泛的应用。

本文首先介绍了SIR带通滤波器的设计原理,然后使用HFSS软件设计了一个通带为4GHz〜6GHz的五阶内耦合SIR带通滤波器模型并进行仿真分析，该滤波器经过优化后可达到预定的性能指标。

1  SIR带通滤波器的设计原理

1.1  SIR谐振器及其等效电路

发夹型SIR谐振器是由λ_g/2型SIR变形得到的，图1为其结构示意图。此结构可以看作一个单一传输线与两个开路端面并联耦合线的并联，图2所示是它的等效电路图。

设图2中的偶模和奇模以及与之相对应的并联耦合线的耦合角分别为Z_pe、Z_po和θ_pe、θ_po和印八印。，那么，其对应的传输矩阵A₁为：

单根传输线的传输矩阵A₂为:

若将A_T定义为图2所示电路的总的传输矩阵, 则有:

设电路负载阻抗为Z_L,那么输入导纳Y_i为：

在此结构谐振器中，Z_L可被认为是无穷大，因此，为简化设计，可假设偶模和奇模的相速相等，即有：

这样，由式(1)〜式(4)可得：

假设耦合线之间的耦合系数为K,Z₀为孤立的 单根传输特征阻抗，Z_P为考虑到另外一根耦合线影 响时的单根传输线特征阻抗，则由文献［2］可知：

将式(7)和式(8)代入式(5),可得到最终谐振条件为:

其中，阻抗比为：R_Z = Z_PZ_S为了实现小型化,应取较低的R_Z和较大的K。另外,在固定R_Z和K时,取得最小谐振器长度2(θ_S＋θ_P)的条件为θ_S＝θ_P,这等效于没有采用耦合线结构的一般形式的SIR。

1.2  耦合谐振器滤波器的基本原理

微波滤波器在通常情况下是由多个同样结构的谐振器串接而成的。在滤波器设计中，任意两个相邻谐振器之间的耦合系数可以表示为：

其中,W=∆f/f_o打,为相对带宽。由文献［2］可知，谐振器有三种耦合方式：电耦合、磁耦合和混合耦合，其耦合系数可近似为:

由于k随谐振器之间的间距d变小而变大，由此便可确定满足需要的耦合系数的间距d的大小。 

2  C波段耦合SIR滤波器的设计过程

采用HFSS11作为仿真软件，并根据上述原理设计的C波段内耦合SIR滤波器，为5阶带通滤波器。该滤波器的中心频率为5.0675GHz,通带频率为4.6675GHz〜5.4675GHz,带内插损小于1.5dB。在4GHz和6GHz处的抑制均大于30dB。总体大小为20mmX20mm。基板选取rogers4003,介电常数为3.55,厚度为0.508mm。其仿真模型如图3所示。

3  仿真结果及改进

该谐振器的仿真结果如图5所示。

从仿真结果可以看出，该谐振器的谐振点在中心频率附近,二阶谐振点在ioGHz以外。滤波器的仿真结果如图6所示。

从仿真结果中的S₂₁曲线可以看出，带内插损小于－1.5dB,在4GHz和6GHz处的带外抑制度均超过了－30dB,寄生通带在10GHz以外。但S₁₁曲线指标则较S₂₁差,还有待改进。而S₂₁的仿真结果可以达到指标要求而且还不错。可以实现小型化SIR滤波器的初衷。

4  结论

本文介绍了微波SIR带通滤波器的基本理论，在此基础上，利用HFSS软件仿真设计了一个C波段的五阶内耦合SIR带通滤波器,仿真结果表明，新滤波器可以达到预定的性能指标，并可成功实现传统SIR滤波器的进一步小型化。