2GHz-4GHz梳型超宽带滤波器设计
1、引言
由于超宽带通信和雷达的应用多种多样，所以超宽带滤波器的设计方法也相当多样。许多学者研究了多种微带结构的超宽带滤波器。虽然微带滤波器的尺寸很小，并且很容易和其他表面装配器件集成，但是其插损往往都非常大。插损值一般都大于5dB 。微带滤波器还有一个问题就是其带外抑制往往都不太好。在本文中，我们给出了一种通带为2GHz到4GHz，阻带抑制达到11.23GHz的梳型超宽带滤波器设计方法。
2、滤波器设计
图1为11级梳型滤波器的结构示意图。方波导的宽度为a，高度为b，其中有11个方柱，每个方柱具有相同的宽度w。柱子的高度和相邻柱子的间距的定义如图1所示。输入和输出采用SMA接头。SMA内导体端接的小圆盘直径和高度分别定义为
和。
图1 梳型滤波器结构图
采用文[7]中第8章所给出的宽带梳型滤波器的设计公式，可以得到滤波器的初始设计参数值。在本设计中，我们采用11级和0.1分贝波纹的设计指标。表1里面的"初始值"一栏给出了各个参数的计算结果。
使用CST模拟软件，代入结构的初始值仿真可以得到图2的仿真曲线。我们可以看到通带的高端边缘频率比设计低了一些，而且回波损耗也不好。这是由于此滤波器具有67%的相对带宽，对于我们所使用的计算公式来说稍微宽了一些。
表1 超宽带滤波器各参数的初始计算值和最终优化值
参数 | 初始值(mm) | 优化值（mm） | 参数描述 |
a | 37 | 37 | 腔体宽度 |
b | 14 | 12 | 腔体高度 |
w | 12 | 12 | 柱子宽度 |
t | 7 | 7 | 柱子厚度 |
din | 1.3 | 1.3 | 同轴内导体直径 |
dout | 4.1 | 4.1 | 同轴外导体直径 |
dd | 5.2 | 5.2 | 圆盘直径 |
hd | 6 | 6 | 圆盘厚度 |
cp | 0.5 | 0.5 | 圆盘与腔底间距 |
h1 | 12.5 | 10.59 | 柱子1高度 |
h2 | 12.5 | 10.53 | 柱子2高度 |
h3 | 12.5 | 10.47 | 柱子3高度 |
h4 | 12.5 | 10.43 | 柱子4高度 |
h5 | 12.5 | 10.42 | 柱子5高度 |
h6 | 12.5 | 10.43 | 柱子6高度 |
l1 | 3.885 | 6.56 | 柱子1，2间距 |
l2 | 6.29 | 7.58 | 柱子2，3间距 |
l3 | 6.475 | 8.04 | 柱子3，4间距 |
l4 | 6.66 | 8.25 | 柱子4，5间距 |
l5 | 6.845 | 8.28 | 柱子5，6间距 |
图2 代入初始值的模拟结果
图3 优化后的滤波器模拟和测试结果
得到以上的初始结果后，我们使用CST的优化功能，通过优化可以得到最终的参数值。表1的"优化值"一栏给出了各个参数的最终值。其模拟结果在图3中由虚线表示。
3、测试结果
图4给出了根据表1的优化值所加工的梳型滤波器样品图。其尺寸为198mm X 51mm X 16mm。为方便与模拟结果对比，图3还给出了样品的测试曲线。我们可以看到，测试结果中，除了回波损耗稍微比模拟结果高了一些外，其他都与模拟结果吻合得很好。测试结果显示2GHz到4GHz的通带内，插损小于0.35dB，回波损耗小于-15dB。为了显示阻带抑制特性，图5给出了1GHz到15GHz的测试曲线，可以看到直到11.23GHz才产生寄生通带。
图4 样品滤波器结构图
图5 样品滤波器的寄生通带测试结果
4、结论
本文报道了一种波导超宽带梳型滤波器，相对于微带超宽带滤波器来说，具有低很多的带内插损和好很多带外抑制。样品滤波器的测试结果显示其2GHz到4GHz的通带内插损低于0.35dB，阻带抑制可以达到11.23GHz。此滤波器可以应用在对插损和带外抑制要求非常苛刻的超宽带通信和雷达系统中。这种技术也可以应用在要求对高次谐波进行有效抑制的系统中。
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