一个非常紧凑和尖锐的滚动低通滤波器与四个传输零

摘要

本文提出了一种具有锐滚转、宽阻带、尺寸紧凑等特点的新型结构。通过结合一个电容嵌入的传输线环和两个分流开的存根，该结构展示了一个高性能的三极低通滤波器(LPF)响应与四个产生的传输零。在这四个传输零点的帮助下，提出的LPF实现了提高的滚转率，扩展了阻带，并显著地非常紧凑的尺寸。为了验证该结构的可行性，设计了一个截止频率为0.63 GHz的LPF原型，并作为示例进行了测试。最终结果表明，该方法可以获得109.3 dB/GHz的滚转率和114.6%的相对阻带带宽。滤光片尺寸小至15.7 mm × 26.9 mm，即,在那里为截止频率处的导波长。该滤波器结构简单，易于制作。

1.介绍

在各种无线通信系统中，高性能低通滤波器(lpf)是去除不需要的高频谐波和互调的理想选择。传统的传输线低通滤波器，如开路短线和步进阻抗低通滤波器，往往存在截断衰减边缘逐渐消失、阻带带宽窄、电路尺寸大等问题[1］．为了达到高性能的要求，通常的方法是大幅度提高阶跃阻抗低通滤波器的阶数。不幸的是，电路尺寸和带内插入损耗都大大增加。

近年来，人们对缺陷接地结构(DGS)进行了大量的研究，以获得滚转率高、阻带宽、尺寸小的缺陷接地结构[2，3.］．然而，DGS的设计过程存在制造困难，而且DGS本身也会产生辐射。除DGS外，另一种实现紧凑LPF的方法是在滤波器的传递函数中引入传输零点。产生传输零点并对其进行适当的定位，可以产生通带到阻带的强烈响应和通带外的深度抑制。因此，在额外的传输零点的帮助下，低阶LPF可以满足通常由高阶滤波器实现的阻带要求。在[4]，步进阻抗发卡谐振器适用于宽带LPF的设计。然而，这种LPF的滚落裙是非常渐进的，因为只有一个传输零是在停止带激发的，这是非常远离截止频率。,在(5，6，通过引入互补分裂环谐振器(CSRR)和数字间差分谐振器(interdigital DGS)分别产生两个传输零来改善阻带特性。然而，由于传输零点有限，阻带特性仍有待增强。因此，为了激发多个传输零点以扩大阻带和锐化滚脱裙，在[7- - - - - -9，例如，在[7]，一个由两个不对称发夹单元和连接线路组成的级联单元，得到一个非常宽的阻带LPF，具有5个提议的传输零点;另外在[8，9，利用各横向滤波段和多个共面波导锥形段的级联，获得了具有多个传输零点的异常锐抑制、超大衰减频带LPF。尽管有这么多吸引人的功能，这些多节LPFs [7- - - - - -9]一般都有较大的电路尺寸，这极大地阻碍了它们的进一步发展和应用。由于滚落裙、复杂的制造工艺和较大的电路尺寸，这些结构无法满足越来越高的高性能lpf小型化的要求。

针对上述问题，本文提出了一种由电容嵌环和两侧抽头处对称开杆连接而成的新型结构。基于矩阵变换的详细分析表明，该结构具有四个可调传输零点的三极低通滤波响应。通过适当地调整和定位四个传动零位，不仅可以实现尖锐和宽的抑制，而且可以同时实现尺寸减小。该示例滤波器的设计、仿真和测试成功地验证了该结构在实现高性能LPF时的可行性。

2.理论分析

数字1演示了所提出的低通滤波器的基本配置。如图所示，所提出的低通滤波器由两个平行部分组成，即图中的两条对称开路传输线2(一个)和图中所示的电容嵌入传输线环2 (b)．为了便于分析这种结构，我们假设整个传输线模型是无损的，馈线和所有不连续的影响可以忽略不计。

基于以上假设，总结构的-matrix可以表示为 (在哪里]和[为图中网络的导纳矩阵2(一个)和2 (b),分别。

对于图中的网络2(一个),整体-matrix可以推导为 在哪里和分别为上、下传输线的特性阻抗;和分别为上、下传输线的电气长度;为角频率(）;为嵌入式电容的电容值。

如图所示的网络2 (b),-矩阵可以表示为 在这里,和表示两条对称开路传输线的特性阻抗和电长。

然后总矩阵图1可以由

分析图中建议的结构1，我们引入一个等价的-电路模型如图所示3.,在那里和分别为上单传输线的等效电感和杂散电容。和分别为嵌入电容和两条下传输线的等效电容。最后,为两端连接的两条开路传输线的等效电容。因此，整个结构可以等价于a电路模型。进一步，给出了所提出的等效方法的参数-电路可以描述为

显然，该结构具有准椭圆低通滤波特性。在截止频率处采用经典方法，得到图中原型元件的值3.可以合成，然后也可以得到所提出的结构的物理尺寸。为了验证所提出的等效模型及其综合方法的有效性，设计了基于该结构的低通滤波器，提供0.1 dB等纹波切比雪夫响应。给出了该结构的优化参数，,；°,°在2 GHz，和°在1 GHz;pF。理想响应和合成电路的响应如图所示4．图中还显示了传统的步进阻抗LPF的响应，并将该结构与传统LPF进行了比较4．可以观察到良好的一致性，表明提出的结构和合成方法的可行性。

如图所示4时，该结构的响应出现多个传输零点。在四个传输零点的帮助下，该结构比传统的步进阻抗LPF具有更高的选择性和更宽的阻带。

该结构的传输零点位于以下频率．由导纳矩阵与散射矩阵的关系，可得到整个网络的散射矩阵 在哪里为输入端口和输出端口的特征导纳。

然后通过设置或，，且有限传输零点的频率应满足下列任意一个方程:

显然，传输零点来自图中两个信号路径的抵消2(一个)和图中双边两开桩的串联共振2 (b)．此外，两个传动零产生机构相互独立，为滤波器的分析和设计提供了很大的灵活性。

首先，图中的结构2(一个)具有与[10］．事实上，图中的结构2(一个)将变形到[10)当．如[10，更大的并联电容器产生更大的传输零间隔。它可以从(5度)，即引入双边输电线路(Ω,°)将大大放大电容．因此，所提出的结构可以产生两个传输零，并具有更宽的零分离，从而确保更宽的抑制带。此外，引入一个更大的并联电容不仅可以降低滤波器的截止频率，而且可以大大提高滤波器的选择性。此外，更大的并联电容器表明更显著地缩小了上线的电长度，这意味着整个电路可以进一步最小化。

至于图中的结构2 (b)，根据由(7)，另两个传输零和可以在以下情况下获得和,这使得GHz;从而实现了带有四个传输零点的整体频率响应。此外，地点和可根据设计目标，通过改变两条对称开路线路的电气长度，灵活而容易地进行移动。显然，当地点和已经被预定，地点和对滤波器的整体频率响应有显著影响。不同的传输零点位置会产生不同的频率响应。然后选择一个合适的,让定位之前而找到背后的；要做到这一点，滚转率就会因滚转率的显著提升而产生效果；与此同时，阻带带宽会向上部扩展，由于受影响而产生更宽的阻带．因此，如图所示5，提出的低通滤波器与两个对称开路线，确保更宽的阻带，更尖锐的滚转率，和更深的抑制水平。除这些有趣的特性外，开路线路对通频带频率响应几乎没有影响，便于进一步设计和调整。此外，引入的开路传输线易于折叠，有利于整个电路的小型化，从而在优良的性能和紧凑的尺寸之间取得平衡。

3.加工和测量

基于以上所讨论的吸引人的特性，一个LPF原型具有0.63 GHz, 20 dB的阻带扩展至在厚度为0.5 mm、相对介电常数为2.65、损耗正切为0.02的衬底上实现。图中展示了拟议LPF的物理尺寸和照片6(一)和6 (b)．拟建结构的参数安排如下:毫米,毫米,毫米,毫米,毫米,毫米,毫米,毫米,毫米,采用尺寸为1.6 mm × 0.8 mm的MURATA贴片电容器实现了pF。弯曲的线条可以达到非常紧凑的区域。微带线仿真采用Ansoft软件高频结构模拟器(HFSS)，测量采用Agilent 8510C矢量网络分析仪。

数字7显示出测量和模拟频率响应之间的良好一致性;测量的3 dB截止频率为0.63 GHz，包括SMA连接器损耗在内的通带插入损耗在0.5 dB以内，达到0.54 GHz，而回波损耗在0.31 GHz时优于12 dB。测量的四个传输零点分别位于1.1 GHz(抑制59.15 dB)、1.76 GHz(抑制41.45 dB)、2.75 GHz(抑制79.42 dB)和3.1 GHz(抑制45.6 dB)。在这些传输零点的帮助下，测量到的20 dB抑制阻带从0.85 GHz扩展到3.13 GHz，形成一个非常宽的衰减带，20 dB抑制带宽可达．此外，这些深度抑制传输零点也为滤波器创造了一个尖锐的过渡;因此，提出的LPF显示了令人难以置信的109.3 dB/GHz的滚转率(测量衰减分别为3 dB和50 dB在0.63 GHz和1.06 GHz)。此外，中央电路(不考虑50 Ω馈线)占用了真正紧凑的尺寸26.9 mm × 15.7 mm，对应于（),为50 Ω传输线在截止频率0.63 GHz时的引导波长。

表中提供了拟议LPF与其他报告的紧凑急剧滚转LPF的比较1．与表中的低通滤波器相比，所提出的低通滤波器具有较宽的阻带和较陡的滚转率。而且，所提出的LPF的大小是表中LPF中最小的1，是满足小型化要求的理想选择。

4.结论

本文提出了一种基于这种新结构的紧凑型锐滚低通滤波器的设计。从理论上分析了该结构可以通过改变电路参数产生四个可调传输零点来获得所需的LPF。应用该分析方法，设计、制作了LPF原型，并进行了测试。测量结果与理论预测吻合得很好，并证明了它令人难以置信的特点:急剧的滚转率，宽阻带，非常紧凑的尺寸。基于这些特点，LPF在现代通信系统中非常适用。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

浙江省科技创新领军团队项目(no . 2011R50004);国家自然科学基金面上项目(no . 61101052);浙江理工大学521人才项目。

参考文献

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