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微波集成电路特定长度并联传输线的滤波特性

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微波集成电路特定长度并联传输线的滤波特性

王安国　林杞楠

Wang Anguo,Lin Qinan
(College of Electronics & Information Eng.,Tianjin University,Tianjin 300072)

Abstract:　The filtering properties of parallel transmission lines with two types of specified length are analyzed in this paper.The lowpass filter and broadband bandpass filter with fine characteristics can be composed of it.Its configuration is simple,so employing it in MIC′s modules is suitable.
Key words:　MIC,Parallel transmission line,Filtering properties　　随着微波技术的不断发展，微波滤波器的设计理论和实现方法的研究也在不断深入.在以微带结构为主体的平面微波电路中，用集总或半集总元件实现的微波低通滤波器、半波长谐振式平行耦合线带通滤波器、发卡式带通滤波器等已比较成熟，并获得了广泛应用.近十多年来，在MIC的进展过程中，对于微波滤波器的研究，在传统设计方法的基础上，有的致力于提高设计精度，以便获得良好滤波特性^［1］；有的采取某些措施，以便改善滤波器性能^［2，3］；有的着眼于新型结构，以便减少占用集成电路基片面积^［4，5］.因而，微波滤波器的理论越来越丰富，形式越来越繁多.
　　本文分析了特定并联传输线的传输特性，并提出用以组成低通滤波器、宽带带通滤波器的构想，这将会为其在MIC中的实际应用开辟有效途径.

于是，如图1所示特性阻抗同为Zc，长度分别为L1和L2的并联传输线，其Y参数为：

78-2.gif (914 字节) 　　　　　　　　　(1a)
78-3.gif (914 字节) 　　　　　　　　　(1b)

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图1　并联传输线

　　源阻抗和负载阻抗均为实数的二端口网络，其转换功率增益表达式如下：

78-4.gif (1265 字节) 　　　　　　(2)

设R_s=R_L，并取Z_c=2R_L，可得到并联传输线的转换功率增益表达式为：

78-5.gif (2243 字节) 　　　　　(3)

令θ₁+θ₂=2φ₂　　θ₂-θ₁=2φ₁(4)

经过推导化简，并写成衰减，则得：

78-6.gif (1271 字节) 　　　　　　　　　(5)

依据传输线的长度通过式(5)即可计算并联传输线的衰减特性.
　　以某一频率f_r为参考频率，其微带线波长为λ_r，则l长传输线的电长度θ为：

　　　　　　　　(6)

传输线长l₁和l₂一旦确定，根据φ与θ的关系，式(5)即可直接表示为f/f_r的函数.
　　本文选取l₁=0.25λ_r、l₂=1.25λ_r和L₁=0.5λ_r、l₂=λ_r两种特定长度并联传输线为单元电路.为简单起见，下文将特定长度并联传输线简写为SLPTL(Parallel Transmission Lines with Specified Length).根据式(5)，便可以分析SLPTL单元电路的衰减特性.

1.Ⅰ型单元电路
　　将l₁=0.25λ_r、l₂=1.25λ_r，SLPTL定义为Ⅰ型单元电路.根据式(4)、(5)和(6)，其衰减表达式如下：

79-1.gif (1704 字节) 　　　　　　　(7)

由式(7)可知：(f/f_r)=n(n=0，1，2，…)，A_{_dB}=0;(f/f_r)=n+(1/2)和(f/f_r)=(2n+1)±(1/3)，A_{_dB}=∞.衰减特性A_{_dB}与f/f_r的关系以2为周期重复.在(f/f_r)=0～2之间，(f/f_r)=(1/2)～(2/3)和(f/f_r)=(4/3)～(3/2)为阻带，最小衰减为13.6dB.衰减特性曲线对称于(f/f_r)=1.

2.Ⅱ型单元电路
　　将l₁=0.5λ_r,l₂=λ_r,SLPTL定义为Ⅱ型单元电路.与分析Ⅰ型单元电路相似，其衰减表达式为：

79-2.gif (1801 字节) 　　　　　　　(8)

由上式可见：(f/f_r)=2n(n=0,1,2,…),A

79-3.gif (1391 字节) 　　　　　　　　(9a)

79-4.gif (1192 字节) 　　　　　　　(9b)

式(9a)，(9b)代入式(2)，并将条件R_s=R_L和Z_c=2R_L代入，经过推导化简，可得到其衰减表达式：

79-5.gif (1150 字节) 　　　　　　　　　　(10)

_{_dB}=0;(f/f_r)=2n+1和(f/f_r)=(2n+1)±(1/3),A_dB=∞.A_dB与f/f_r的关系，也是以2为周期重复.在(f/f_r)=0～2之间、(f/f_r)=(2/3)～(4/3)为阻带，最小衰减为8.5dB.衰减特性曲线也是对称于(f/f_r)=1.三、SLPTL单元电路级联网络滤波特性
　　由式(1a)、(1b)及(4)可导得两个相同单元电路级联网络的Y参数为：

式(10)与(5)比较可见，式(10)只是在对数中第二项增加了一个因子(4cos²φ₂)/(cos²φ₁).

1.两个Ⅰ型电路级联网络
　　Ⅰ型单元电路φ₁=π^.(f/f_r)，φ₂=(3π/2)^.(f/f_r)，由因子(cos²φ₂/cos²φ₁)可知，当(f/f_r)=2n±(1/3)，出现了2阶零点.衰减特性曲线示于图2.在(f/f_r)=(1/2)～(2/3)范围内，阻带最小衰减为29dB.它可作为性能良好的带阻滤波器.

一、引言
二、特定长度并联传输线(SLPTL)单元电路
　　特性阻抗为Z_c,长度为l的传输线(电长度为θ)的Y参数为：提要　本文分析了两种特定长度并联传输线的滤波特性.由它们可构成性能良好的低通滤波器和宽带带通滤波器.它们结构简单，适用于MIC(微波集成电路)组件中.
关键词:微波集成电路，并联传输线，滤波特性Filtering Properties of Parallel Transmission Lines with Specified Length for MIC

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图2　两个Ⅰ型单元电路级联网络衰减特性

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图3　两个Ⅱ型单元电路级联网络衰减特性

表1　2.两个Ⅱ型单元电路级联网络
　　Ⅱ型单元电路φ₁=(π/2)^.(f/f_r)，φ₂=(3π/2)^.(f/f_r)，同样由因子(cos²φ₂/cos²φ₁)可知，当(f/f_r)=2n±(1/3)，也出现了2阶零点.衰减特性如图3所示.阻带最小衰减为22dB.要利用它的通带，相对来说阻带不够宽.但是将它与Ⅰ型单元电路级联，或与参考频率相差一倍的另两个Ⅱ型单元电路级联，可以构成性能良好的低通与带通网络.四、低通及带通滤波网络的构成
1.Ⅰ型与Ⅱ型单元电路级联
　　根据以上分析，将Ⅰ型与Ⅱ型单元电路级联起来，则Ⅰ型单元电路在(f/f_r)=(2/3)～(4/3)的通带落入Ⅱ型单元电路的第一阻带内，而Ⅰ型单元电路的第一、第二阻带又限制了Ⅱ型单元电路的通带.这样就扩展了阻带，因而既可作为低通滤波网络，也可作为带通网络.
2.两种Ⅱ型单元电路级联
　　根据Ⅱ型单元电路衰减特性的周期性可知，若取f_r1和f_r2=2f_r1分别为两种Ⅱ型单元电路的参考频率，则第一种电路的第一、第三通带落入第二种电路的阻带内，而第一种电路的阻带正好限制第二种电路的通带范围.因此它们可以级联成为性能优良的微波滤波网络.
　　几种网络形式的分析结果列表如下.网络形式：(1)为2个Ⅱ型与2个Ⅰ型级联；(2)为3个Ⅱ型与2个Ⅰ型级联；(3)为两种Ⅱ型各2个级联；(4)为两种Ⅱ型各3个级联.A_p表示通带最大衰减；A_s表示阻带最小衰减.BW_L、BW_B分别表示低通及带通3dB带宽.

网络形式	参考频率 (GHz)	A_p (dB)	A_s (dB)	BW_L(GHz)	BW_b(GHz)
(1)	f_r=12	0.64	23.48	0～4.46	19.54～28.46
(2)	f_r=12	0.68	38.13	0～4.51	19.49～28.51
(3)	f_r1=6　f_r2=12	0.03	21.7	0～3.00	21.0～27.0
(4)	f_r1=6　f_r2=12	0.11	35.41	0～2.91	21.09～26.91

　　网络形式(1)的结构可如图4所示，其衰减特性示于图5.具有类似边带衰减陡度的低通及带通滤波器，若通过低通原型设计，按1dB波纹切比雪夫滤波器考虑，所需阶数n＞5.因对称负载，需取n=7.略作比较，图4结构作为低通滤波器，纵向尺寸约为0.56λ_gL(低通边界频率处微带线波长)，尺寸比高、低阻抗线法设计的略大，但避免了后者在高、低阻抗差异大时实现的困难；与应用矩形元件^［5］或开、短路短截线实现的滤波器尺寸差不多，却可获得较宽的相邻阻带.作为带通滤波器时，纵向尺寸约为2.5λ_gB(带通中心频率处微带线波长)，而半波长平行耦合线滤波器为2λ_gB，但前者相对带宽达37%，而后者一般小于25%.

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图4　Ⅰ型与Ⅱ型单元电路级联结构级联网络衰减特性　图5　Ⅰ型和Ⅱ型单元电路级联网络衰减特性图6　两种Ⅱ型单元电路频率偏差的影响　五、级联网络各单元电路频率偏差的影响
　　级联网络各单元电路的参考频率允许有一定偏差，例如在1%之内，这时对通带宽度仅有微小影响.但偏差不许过大，否则将使阻带的性能变差.以f_r=12GHz的3个Ⅱ型单元电路级联为例，当各单元电路参考频率相同时，阻带最小衰减为36dB.若3个单元电路的参考频率分别为f_r1=11.9GHz，f_r2=12.0GHz，f_r3=12.1GHz，则其衰减特性如图7所示.由图可见，阻带有几处衰减小于36dB，最差的一处最小衰减只有17.8dB.所以频率偏差只能限定在1%之内.六、结论
　　本文提出了两种特定长度并联传输线级联成滤波网络的构想.这种网络作为低通滤波器，具有较宽的相邻阻带；作为带通滤波器，具有宽带滤波性能.设计简单，只要适当选择参考频率即可.在实现微带结构时，需要考虑微带不连续性的影响，采取某些修正或补偿措施.例如，拐弯可采用截角直角弯头并修正微带线长度^［6］，T型接头可采用补偿型以减小反射^［7］.减小用于并联十字型接头影响的措施需要通过实验探索.尽管如此，本文的分析，为实现这种类型滤波网络提供了理论依据.国家自然科学基金资助项目(No.69332011)
作者简介：王安国　1982年于南京工学院(现东南大学)无线电工程系获学士学位，1990年于天津大学电子工程系获硕士学位，现为天津大学电子信息工程学院讲师，在职博士生，在学术刊物与会议上已发表论文7篇，研究兴趣为单片微波集成电路的理论与设计，三维微波集成电路的理论与设计.
　　　　　林杞楠　教授，中国通信学会会士.1961年毕业于天津大学并留校工作.1989～1990赴英国伦敦大学英王学院，为高级访问学者.从事电网络理论及微波固态电路理论与设计的教学和科研工作.在国内外发表论文20多篇.
作者单位：天津大学电子信息工程学院，天津 3000721.D.G.Swanson.A novel method for modeling coupling between several microstrip lines in MIC"s and MMIC"s.IEEE Trans.,1991,MTT-39(6):917～923
2.A.Riddle.High performance paralel coupled microstrip filters.1988,IEEE MTT-S Digest:427～430
3.Chi-Yang Chang,T.Itoh.A modified parallel-coupled structrue improves the upper stopband rejection and response symmetry.IEEE Trans.,1991,MTT-39(2):310～313
4.M Sasawa,K.Takahashi,M.Makimoto.Miniaturized hairpin resonator filters and their application to receiver front-end MIC"s,IEEE Trans.,1989,MTT-37(12):1991～1996
5.F.Giannini,M.Salerno,R.Sorrentino.Design of low-pass elliptic filters by means of cascaded microstrip rectangular elements.IEEE Trans.,1982,MTT-30(9):1348～1353
6.高葆新，洪兴楠等.微波电路计算机辅助设计.清华大学出版社，1988
7.周文表.微波集成电路计算机辅助设计手册.人民邮电出版社，1988