一种基于共面带状线谐振器的平衡双频带通滤波器，其通带可以通过短路的双面平行带状线短截线进行控制

《AEU - International Journal of Electronics and Communications》：A balanced dual-band bandpass filter with controllable passbands based on coplanar stripline resonators loaded with short-circuited double-sided parallel-strip line stubs

提出一种基于共平面带状线（CPS）-短路 stub加载谐振器（SLR）的平衡双带带通滤波器设计，通过级联三个CPS-SLR单元实现第三阶双带响应，准独立调谐中心频率，并利用CPS的共模抑制特性提升性能，实验验证设计有效。

　　

任宝平|张一恒|关学辉

华东交通大学信息与软件工程学院，中国南昌330013

摘要

本文提出了一种基于共面带状线（CPS-SLR）的平衡双频带通滤波器，该滤波器具有内在的共模（CM）抑制能力。通过级联三个双模CPS-SLR实现了三阶双频响应。通过改变CPS和双面平行带线（DSPSL）短截线的长度，可以 quasi-independently（准独立地）控制两个差模（DM）通带中心频率。此外，在CPS结构的两端加载贴片可以实现外部Q值调节。微带线到CPS的馈电结构结合CPS的固有CM抑制特性，使得滤波器具有优异的CM抑制性能。为了验证该设计的可行性，设计、制造并测量了一个工作在1.37 GHz和2.56 GHz的三阶平衡双频滤波器，测量结果证明了该设计的有效性。

引言

随着无线通信技术的发展，对双频应用的需求不断增长。然而，传统的通过并联单频滤波器来实现双频响应的方法在满足现代通信系统的紧凑性要求方面存在显著挑战。因此，双频带通滤波器（BPF）受到了广泛研究[1]、[2]。同时，平衡电路在射频/微波应用中相比传统的单端设计具有明显优势[3]、[4]、[5]、[6]。平衡电路的主要优点在于它们能够有效抑制环境噪声和组件产生的电子噪声，从而减少设备间的电磁干扰（EMI）。将这些平衡设计的优点与双频操作相结合，推动了平衡双频BPF的发展。

对于平衡双频BPF而言，共模（CM）抑制是一个关键的性能指标。在过去十年中，提出了多种平衡双频BPF的CM抑制技术。在[7]、[8]、[9]中，通过在对称平面上加载短截线来增强CM抑制，而不会降低差模传输性能。在[10]中，通过在中心线加载电阻器实现了可调CM抑制。在[11]中，使用耦合阶梯阻抗谐振器（SIR）在共模传输下作为带阻滤波器工作来改善CM抑制。在[12]中，利用移相器通过共模信号消除来实现CM抑制。上述设计都实现了良好的CM抑制效果。然而，这些实现通常需要辅助结构来增强CM抑制，增加了设计的复杂性和尺寸。因此，具有固有CM抑制特性的传输线，如槽线（slotline）和共面带状线（CPS），越来越受到关注。在[13]、[14]、[15]、[16]、[17]中，利用槽线的固有CM抑制特性，在对差模（DM）性能影响最小的情况下实现了CM抑制，显著简化了平衡滤波器的设计。

与槽线相比，CPS具有更高的Q值和更低的辐射损耗，这促使了先前研究中开发出多种多模CPS谐振器。在[18]中，提出了两种基于CPS的多模SIR用于设计平衡宽带滤波器。在[19]中，设计了五种不同的开路/短路短截线加载CPS谐振器，但其短截线尺寸受到CPS导体条宽度的限制。为了解决这个问题，[20]提出了一种双面平行带线（DSPSL）并联短路短截线技术，消除了这一设计限制。在[21]中，提出了一种基于混合CPS和非对称CPS（ACPS）配置的四模谐振器。然而，据作者所知，尽管在基于CPS的多模谐振器设计方面取得了显著进展，但除[21]外，大部分研究工作主要集中在平衡单频滤波器上，对平衡双频滤波器的应用有限。本文首次将基于共面带状线的短截线谐振器（CPS-SLR）结构扩展到平衡双频BPF的设计中。

本文提出了一种使用CPS-SLR的平衡双频BPF。每个CPS-SLR由一个均匀的CPS和一个在其中心加载的DSPSL短路短截线组成。首先分析了CPS-SLR的特性，建立了其奇模和偶模等效电路，并推导出了特性阻抗的表达式。分析表明，通过调整CPS段长度和DSPSL短截线长度，可以实现两个谐振频率的准独立调节。其次，为了改善阻抗匹配，在CPS的背面加载贴片以调整其Q值。最后，通过级联三个双模CPS-SLR，实现了一个具有准独立频率调节能力和固有CM抑制的平衡双频BPF。

部分内容摘录

谐振器分析

如图1(a)所示，CPS和DSPSL的物理长度分别为$2L_1$和$L_s$。在差模（DM）激励下，CPS-SLR的中心对称平面被视为电墙。在这种情况下，CPS段用传输线（TL）表示，而DSPSL段被建模为并联在TL中点的短路短截线。完整的等效TL模型如图1(b)所示。由于CPS-SLR的对称性，进一步

滤波器实现与结果

为了证明所提出设计方法的有效性，设计了一个三阶平衡双频BPF。该滤波器通过级联三个CPS-SLR单元实现，中心频率（CF）分别为1.66 GHz和2.3 GHz，分数带宽（FBW）分别为10%和15%。图4展示了两端加载贴片的三个级联CPS-SLR的示意图。原型在0.635毫米厚的RT/duroid 6010LM基板上制造，该材料表现出

结论

本文提出了一种基于CPS-SLR的新型平衡双频BPF设计。通过级联三个CPS-SLR单元，在差模激励下可以实现双通带响应。利用CPS的固有CM抑制特性，该滤波器表现出优异的CM抑制性能。通过调整CPS长度和DSPSL短截线长度，可以灵活控制两个通带的中心频率（CF）。此外，通过加载贴片还可以实现两个通带的外部Q值调节。

作者贡献声明

任宝平：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资金获取，形式分析，概念构思。张一恒：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，调查，形式分析，数据整理，概念构思。关学辉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资金获取，概念构思。

未引用参考文献

[24], [25], [26]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作部分得到了国家自然科学基金（项目编号：62361025和62261022）的支持，部分得到了江西省自然科学基金（项目编号：20252BAC240226）的支持，部分得到了毫米波国家重点实验室项目（项目编号：K202516）的支持，以及江西省研究生创新专项资金项目（项目编号：YC2023-S534）的支持。