平面多通带滤波器新型集总元件电路综合方法研究

High performance multiband planar bandpass filter (BPF) is a key component in the design of radio frequency front-end of modern communication systems, which plays an important role in the high integration and high utilization of the communication systems. The traditional coupling matrix synthesis method is a narrow band design method, which has many disadvantages such as complex topology, difficulty to increase the passband number, incapability to control transmission zeros (TZs) freely and so on. In this proposal, according to the advantages of planar microstrip filter, such as small volume, light weight, low cost and easy integration, we use planar microstrip distributed elements that are equivalent to lumped elements in synthesis models and study the construction of filter characteristic functions and synthesis lumped element circuit models detailedly. We preset the TZs and reflection zeros due to the filter specifications, construct the novel filter characteristic function, and design a variety of novel lumped element circuit synthesis models. The main research contents include: (1) wideband multiband BPFs synthesis models; (2) high performance BPFs synthesis models with multiple stopband TZs; (3) microstrip tunable multiband BPFs synthesis model based on the tunable lumped elements in the synthesis model. Novel lumped element synthesis method is proposed based on the synthesis theory, which provides a new approach for designing multiband BPFs. The achievements have great research value and potential applications.

高性能多通带平面带通滤波器是现代通信系统射频前端设计的关键器件,对通信系统的高集成度和频谱的高利用率具有重要作用。传统耦合矩阵综合方法属窄带设计，存在拓扑结构复杂、通带个数难以大量增加、传输零点控制自由度小等缺点。本项目利用平面微带滤波器体积小、重量轻、成本低、易于集成等优点，采用平面微带分布结构等效综合模型中的集总元件，深入研究了滤波器特征函数构造和综合集总电路模型。根据指标要求，预先设定传输和反射零点，构造新型滤波器特征函数，设计各类新型集总元件电路综合模型。主要研究内容包括：（1）宽带多通带带通滤波器综合模型；（2）阻带具有多传输零点高性能多通带滤波器综合模型；（3）基于综合模型中集总元件可调设计微带多通带滤波器的可调综合模型。本项目基于综合理论提出多通带滤波器设计的新型集总元件电路综合方法，为多通带滤波器设计提出了新思路，所取得的成果具有较大的研究价值和应用前景。

滤波器作为射频前端选频器件，其性能对整个系统的抗干扰具有重要作用。随着现代通信系统快速发展，要求前端滤波器具有宽带、多通带、可调等特性。宽带滤波器常用的多模谐振器设计方法和传统的耦合矩阵设计方法，不适用宽带高阶、多传输零点、多通带滤波器设计。因此，本项目深入研究了滤波器特征函数，构建集总电路综合模型，设计满足不同指标要求的高性能带通滤波器。首先，研究了修正的切比雪夫特征函数，提出带外具有一个传输零点和两个传输零点的新型滤波器特征函数，通过提取集总LC元件值和频率变换，分别设计五阶单零点和九阶双零点的宽度带通滤波器。仿真和实测结果实现的带宽为40%，九阶宽带滤波器带外抑制可达7.5倍中心频率，实现了非常宽的带外抑制。同时，通过单通带到双通带的频率变换，分别设计了三阶和五阶双通带宽带滤波器，中心频率比值可在1-2范围设置，分数带宽可在8.5-56%范围可设置，所提出的综合电路网络可实现双通带两个中心频率和分数带宽大范围设置的优点。其次，通过频率变换建立双通带间具有4个传输零点的阻带多传输零点集总电路模型，随着通带阶数和零点的增加，双通带电路模型中并联的串联谐振电路LC元件值难以提取，本项目使用神经网络算法优化电路元件值，并在损耗函数中考虑S参数相位的误差，可以快速得到优化参数。通过设计7阶和9阶两个中心频率和分数带宽不同的双通带滤波器，验证了提出的综合电路模型在设计阻带具有4个传输零点的双通带滤波器的有效性。最后设计了宽带可调带通滤波器，通过分析电路模型中控制传输极点和传输零点的串联谐振电路，实现中心频率不变，分数带宽可调和绝对带宽不变，中心频率可调的两个宽带可调滤波器设计。通过多个设计实例仿真和测试，验证了综合电路模型设计宽带多通带、阻带多传输零点、可调带通滤波器的有效性。本项目提出的综合电路模型在设计高阶带通滤波器时，具有极大的优点，在通信系统的多功能集成和数据高速传输方向，具有较高的应用价值。