2024年5月12日发(作者：濮葳)
2023年7月10日第40卷第13期
DOI：10.19399/.2023.13.001
设计应用技术
一种分布式宽带高通滤波器的设计方法
丁 海，孟弼慧，刘志军
（京信通信技术（广州）有限公司，广东 广州 510663）
摘要：提出一种新型分布参数高通滤波器设计方法，利用1/4波长的最佳分布式高通滤波器模型，通过折叠式
子网络设计，将多个子网络串联形成分布参数宽频高通滤波器。该方法设计灵活简便，结构尺寸小，技术拓展性强。
经过实际器件验证，测试结果与仿真设计吻合良好，验证了方法的准确性。该设计方法适用于Sub-6 GHz大功率微
波集成电路，解决了目前高通滤波器技术存在的结构尺寸大、设计不灵活等难题。
关键词：微波器件；高通滤波器；小型化
A New Design Method of High Pass Filter
DING Hai, MENG Bihui, LIU Zhijun
(Jingxin Communication Technology (Guangzhou) Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)
Abstract: A design method of high-pass filter with distributed parameters is presented in this paper. The high
frequency bandwidth is extended by using multi-mode technology, and the multi-model property is realized by a single
subnetwork. The multi-network is integrated in series to form a distributed parameter broadband high-pass filter.
The method is simple and flexible in design, small in structure size and strong in technology expansion, and is suitable
for Sub-6 GHz high-power microwave integrated circuit. It solves the problems of the current high-pass filter
technology, such as low cutoff band, wide in bandwidth, large in structure size and flexible in design.
Keywords: microwave device; high-pass filter; miniaturization
1 高通滤波器
高通滤波器是对低频信号有抑制要求，而某一
定频点以上信号可通过的滤波器。高通滤波器理论模
型是使用串联电容、并联电感来实现
[1]
。针对大功
率应用需要的高通滤波器，电容和电感需要分布参数
实现。各种分布式滤波器模型中，最佳分布式高通模
型的工作带宽是最宽的，由一系列短路枝节级联而成。
因为连接短路枝节的连接线是非冗余结构，也参与谐
振，所以称为最佳分布式模型。最佳分布式高通模型
适合2倍频以上的滤波器设计，非常适用于设计宽带
高通滤波器
[2]
。
短路枝节及连接线的阻抗与高通通带有关。通
带越窄，短路枝节阻抗越低，而连接线的阻抗越高；
通带越宽，短路枝节阻抗越高，连接线的阻抗越低。
通常情况下，最佳分布式高通滤波不适合设计窄带滤
波器，更适合制作宽带滤波器
[3,4]
。最佳分布式高通
滤波主要由传输线组成，可以是微带线，也可以是空
气带状线。传统方法的带线形式高通滤波器尺寸偏大，
设计不灵活，如图1所示
[5]
。图1的高通滤波器采
用传统的多级短路枝节串联方法设计，长度偏大，应
用受限，因此需要开发一种设计灵活、结构简单的小
型化宽带高通滤波器设计方法。
收稿日期：
2023-05-11
作者简介：
丁 海（1980—），男，山西原平人，博士研究生，
高级工程师，主要研究方向为移动通信射频无源器件。
图1 传统高通滤波器
2 方案设计
提出一种新的宽带高通滤波器子网格设计方法，
采用折叠式子网格形成一个三端口子网络，再从最佳
分布式高通模型设计思路出发，采用子网络级联方式
设计组成一个宽带高通滤波器，如图2所示。子网络
是利用一个短路枝节及2侧连接线组成的一个三端口
网络，通过子网络仿真确定高通滤波器的基本参数，
包括中心频率、截止频率等，同时通过调整子网络中
短路枝节及连接线的尺寸参数得到对应的多个谐振频
率。谐振频率设置在高通滤波器的通带内，可以有效
增宽高通滤波器的通带宽度，形成宽带高通滤波器。
图2 创新的三端口子网络
·
1
·
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2
短路枝节电长度为
θ
c
，工作频率为
f
c
（高通滤波
器的截止频率）。枝节之间由电长度为
θ
c
的传输线
连接。滤波器包含
n
个枝节，对于高通滤波器响应，
变量
f
为频率，
θ
为电长度，比例为
θ
=
θ
c
×
f
，滤波
f
c
器的基本通带为
θ
c
～
π
-
θ
c
。滤波器特性可以用传输
函数
S
21
(
θ
)定义，即
S
21
(
θ
)
=
2
1
2
1
+
ε
F
N
(
θ
)
2
（1）
式中：
ε
为纹波常数；
θ
c
为电长度；
F
N
(
θ
)为滤波函数。
滤波函数可表示为
x
x
1
+
1
−
x
2
T
2
n
−
1
−
1
−
1
−
x
2
T
2
n
−
3
x
c
x
c
F
N
(
θ
)
=
π
2cos
−
θ
2
(
)
(
)
式中：
n
为短路枝节数。
（2）
3 算例验证
开发一款800～2 700 MHz频段的高通滤波器产
品，要求插入损耗不大于0.5 dB，驻波比不大于1.3，
互调抑制要求满足3阶反射互调，接头类型为N-K。
仿真设计具体流程如下。
第1步：系统仿真。建立仿真理论模型，常用
的是巴特沃斯理论模型和切比雪夫理论模型。因为巴
特沃斯模型可以减少带内波动，所以本设计用巴特沃
斯设计方法。确定每段短路枝节尺寸与连接线的阻抗，
利用理想电路等效模型得到设计参数，设计指标包括
通带、阻带、过渡带及截止频率等参数，通带是信号
通过的频带，阻带是抑制信号通过的频带，过渡带是
通道到阻带过渡的频率范围，截止频率是允许频率通
TLIN
ID=TL1
Z0=Z12 Ohm
EL=sida1 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL2
Z0=Z23 Ohm
EL=sida1 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL5
Z0=Z34 Ohm
EL=sida1 Deg
F0=1 GHz
过的边沿频率点。
第2步：将整个系统分解成若干个子系统。分
解的子系统直接影响设计效率，要求最好能够相似，
每一个子系统分别设定为第一节滤波器、第二节滤波
器…第
n
节滤波器；多节滤波器实现级联，每一节滤
波器先计算截止频率及带内波纹，然后通过阻带特性
计算滤波器的节数。滤波器的节数越多，抑制性能越
好，节数越少，抑制性能越差。
第3步：设计子系统。先确定子系统的电气指
标特性，如本项目的三端口网络需要确定特征阻抗、
反射相位特性，再利用三维场仿真软件精确设计每个
子系统。在三维场仿真软件中，可以利用数值计算方
法，设定波端口，精确剖分网格，经过多次计算得到
子系统的模拟仿真散射参数及对应的尺寸要求，使其
满足系统指标。
第4步：用子系统组成整个大系统，级联仿真
大系统，微调电路结构，使其满足整体高通滤波器的
性能要求。不同节滤波器级联时，需要考虑级联匹配
问题，如果相邻节滤波器的阻抗不匹配，信号就会反
射，传递通过的信号能量就会减弱，可以通过增加一
些枝节实现信号的匹配。非相邻节滤波器存在寄生耦
合的影响，需要微调枝节尺寸，消除或减弱寄生耦合。
通过系统的整体仿真，可以实现滤波器的精确仿真，
不同节之间实现匹配，消除寄生的耦合，最终得到整
体散射参数特性。需要注意，由于仿真和实际加工存
在误差，这2个误差最好能够匹配，以提高设计的准
确度。
该方法创新了三端口网络的结构方案，接头位
置设计灵活，空间利用率高，整体尺寸减小，远小于
传统直线形设计方法。图3为电路模型，图4为响应
曲线。
得到初步理论电路模型后，在三维结构场仿真
TLIN
ID=TL9
Z0=Z23 Ohm
EL=sida1 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL11
Z0=Z12 Ohm
EL=sida1 Deg
F0=1 GHz
PORT
P=1
Z=50 Ohm
TLIN
ID=TL7
Z0=Z34 Ohm
EL=sida1 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL3
Z0=ZZ1 Ohm
EL=sida2 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL4
Z0=ZZ2 Ohm
EL=sida2 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL6
Z0=ZZ3 Ohm
EL=sida2 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL8
Z0=ZZ4 Ohm
EL=sida2 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL10
Z0=ZZ3 Ohm
EL=sida2 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL12
Z0=ZZ2 Ohm
EL=sida2 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL14
Z0=ZZ1 Ohm
EL=sida2 Deg
F0=1 GHz
PORT
P=2
Z=50 Ohm
图3 高通电路模型
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2
·
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2023年7月10日第40卷第13期
20
0
幅
度
/
d
B
-20
-40
-60
-80
0.01
DB(|S(1,1)|)
Schematic 4
DB(|S(1,2)|)
Schematic 4
1.012.01
频率/GHz
2.76 GHz
-0.558 dB
0.786 6 GHz
-0.118 dB
软件中进行全腔仿真，加工实物测试，最终得到实测
性能。高通滤波器全腔结构模型如图5所示，测试响
应曲线如图6所示。
3.013.50
图4 仿真结果
图5 高通滤波器全腔结构模型
图6 测试响应曲线
4 结 论
文章提出了一种新型分布参数的高通滤波器，
采用多个模式的子网络设计方法，将子网络级联组成
高通滤波器。通过对800～2 700 MHz频段的高通滤
波器进行设计验证，结果显示测试曲线与仿真曲线吻
合良好，验证了方法的准确性和有效性，且设计灵活，
结构尺寸小。
参考文献：
development[J].IEEE Microwave Magazine，2007，
8（2）：42-54.
[3] 周金柱，张福顺，黄 进，等.基于核及其学
习的腔体滤波器辅助调试[J].电子学报，2010，
38（6）：1274-1279.
[4] TSAI L，HSUE C -band bandpass filters using
equal-length coupled-serial-shunted lines and Z-transform
technique[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and
Techniques，2004，52（4）：1111-1117.
[5] 费洪磊，唐普英.TD-SCDMA A频段交叉耦合
腔体滤波器的设计与实现[J].固体电子学研究
与进展，2011，31（22）：152-154.
[1] 甘本祓.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京：
科学出版社，1973.
[2] SNYDER R cal aspects of microwave filter
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2024年5月12日发(作者：濮葳)
2023年7月10日第40卷第13期
DOI：10.19399/.2023.13.001
设计应用技术
一种分布式宽带高通滤波器的设计方法
丁 海，孟弼慧，刘志军
（京信通信技术（广州）有限公司，广东 广州 510663）
摘要：提出一种新型分布参数高通滤波器设计方法，利用1/4波长的最佳分布式高通滤波器模型，通过折叠式
子网络设计，将多个子网络串联形成分布参数宽频高通滤波器。该方法设计灵活简便，结构尺寸小，技术拓展性强。
经过实际器件验证，测试结果与仿真设计吻合良好，验证了方法的准确性。该设计方法适用于Sub-6 GHz大功率微
波集成电路，解决了目前高通滤波器技术存在的结构尺寸大、设计不灵活等难题。
关键词：微波器件；高通滤波器；小型化
A New Design Method of High Pass Filter
DING Hai, MENG Bihui, LIU Zhijun
(Jingxin Communication Technology (Guangzhou) Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)
Abstract: A design method of high-pass filter with distributed parameters is presented in this paper. The high
frequency bandwidth is extended by using multi-mode technology, and the multi-model property is realized by a single
subnetwork. The multi-network is integrated in series to form a distributed parameter broadband high-pass filter.
The method is simple and flexible in design, small in structure size and strong in technology expansion, and is suitable
for Sub-6 GHz high-power microwave integrated circuit. It solves the problems of the current high-pass filter
technology, such as low cutoff band, wide in bandwidth, large in structure size and flexible in design.
Keywords: microwave device; high-pass filter; miniaturization
1 高通滤波器
高通滤波器是对低频信号有抑制要求，而某一
定频点以上信号可通过的滤波器。高通滤波器理论模
型是使用串联电容、并联电感来实现
[1]
。针对大功
率应用需要的高通滤波器，电容和电感需要分布参数
实现。各种分布式滤波器模型中，最佳分布式高通模
型的工作带宽是最宽的，由一系列短路枝节级联而成。
因为连接短路枝节的连接线是非冗余结构，也参与谐
振，所以称为最佳分布式模型。最佳分布式高通模型
适合2倍频以上的滤波器设计，非常适用于设计宽带
高通滤波器
[2]
。
短路枝节及连接线的阻抗与高通通带有关。通
带越窄，短路枝节阻抗越低，而连接线的阻抗越高；
通带越宽，短路枝节阻抗越高，连接线的阻抗越低。
通常情况下，最佳分布式高通滤波不适合设计窄带滤
波器，更适合制作宽带滤波器
[3,4]
。最佳分布式高通
滤波主要由传输线组成，可以是微带线，也可以是空
气带状线。传统方法的带线形式高通滤波器尺寸偏大，
设计不灵活，如图1所示
[5]
。图1的高通滤波器采
用传统的多级短路枝节串联方法设计，长度偏大，应
用受限，因此需要开发一种设计灵活、结构简单的小
型化宽带高通滤波器设计方法。
收稿日期：
2023-05-11
作者简介：
丁 海（1980—），男，山西原平人，博士研究生，
高级工程师，主要研究方向为移动通信射频无源器件。
图1 传统高通滤波器
2 方案设计
提出一种新的宽带高通滤波器子网格设计方法，
采用折叠式子网格形成一个三端口子网络，再从最佳
分布式高通模型设计思路出发，采用子网络级联方式
设计组成一个宽带高通滤波器，如图2所示。子网络
是利用一个短路枝节及2侧连接线组成的一个三端口
网络，通过子网络仿真确定高通滤波器的基本参数，
包括中心频率、截止频率等，同时通过调整子网络中
短路枝节及连接线的尺寸参数得到对应的多个谐振频
率。谐振频率设置在高通滤波器的通带内，可以有效
增宽高通滤波器的通带宽度，形成宽带高通滤波器。
图2 创新的三端口子网络
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2
短路枝节电长度为
θ
c
，工作频率为
f
c
（高通滤波
器的截止频率）。枝节之间由电长度为
θ
c
的传输线
连接。滤波器包含
n
个枝节，对于高通滤波器响应，
变量
f
为频率，
θ
为电长度，比例为
θ
=
θ
c
×
f
，滤波
f
c
器的基本通带为
θ
c
～
π
-
θ
c
。滤波器特性可以用传输
函数
S
21
(
θ
)定义，即
S
21
(
θ
)
=
2
1
2
1
+
ε
F
N
(
θ
)
2
（1）
式中：
ε
为纹波常数；
θ
c
为电长度；
F
N
(
θ
)为滤波函数。
滤波函数可表示为
x
x
1
+
1
−
x
2
T
2
n
−
1
−
1
−
1
−
x
2
T
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n
−
3
x
c
x
c
F
N
(
θ
)
=
π
2cos
−
θ
2
(
)
(
)
式中：
n
为短路枝节数。
（2）
3 算例验证
开发一款800～2 700 MHz频段的高通滤波器产
品，要求插入损耗不大于0.5 dB，驻波比不大于1.3，
互调抑制要求满足3阶反射互调，接头类型为N-K。
仿真设计具体流程如下。
第1步：系统仿真。建立仿真理论模型，常用
的是巴特沃斯理论模型和切比雪夫理论模型。因为巴
特沃斯模型可以减少带内波动，所以本设计用巴特沃
斯设计方法。确定每段短路枝节尺寸与连接线的阻抗，
利用理想电路等效模型得到设计参数，设计指标包括
通带、阻带、过渡带及截止频率等参数，通带是信号
通过的频带，阻带是抑制信号通过的频带，过渡带是
通道到阻带过渡的频率范围，截止频率是允许频率通
TLIN
ID=TL1
Z0=Z12 Ohm
EL=sida1 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL2
Z0=Z23 Ohm
EL=sida1 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL5
Z0=Z34 Ohm
EL=sida1 Deg
F0=1 GHz
过的边沿频率点。
第2步：将整个系统分解成若干个子系统。分
解的子系统直接影响设计效率，要求最好能够相似，
每一个子系统分别设定为第一节滤波器、第二节滤波
器…第
n
节滤波器；多节滤波器实现级联，每一节滤
波器先计算截止频率及带内波纹，然后通过阻带特性
计算滤波器的节数。滤波器的节数越多，抑制性能越
好，节数越少，抑制性能越差。
第3步：设计子系统。先确定子系统的电气指
标特性，如本项目的三端口网络需要确定特征阻抗、
反射相位特性，再利用三维场仿真软件精确设计每个
子系统。在三维场仿真软件中，可以利用数值计算方
法，设定波端口，精确剖分网格，经过多次计算得到
子系统的模拟仿真散射参数及对应的尺寸要求，使其
满足系统指标。
第4步：用子系统组成整个大系统，级联仿真
大系统，微调电路结构，使其满足整体高通滤波器的
性能要求。不同节滤波器级联时，需要考虑级联匹配
问题，如果相邻节滤波器的阻抗不匹配，信号就会反
射，传递通过的信号能量就会减弱，可以通过增加一
些枝节实现信号的匹配。非相邻节滤波器存在寄生耦
合的影响，需要微调枝节尺寸，消除或减弱寄生耦合。
通过系统的整体仿真，可以实现滤波器的精确仿真，
不同节之间实现匹配，消除寄生的耦合，最终得到整
体散射参数特性。需要注意，由于仿真和实际加工存
在误差，这2个误差最好能够匹配，以提高设计的准
确度。
该方法创新了三端口网络的结构方案，接头位
置设计灵活，空间利用率高，整体尺寸减小，远小于
传统直线形设计方法。图3为电路模型，图4为响应
曲线。
得到初步理论电路模型后，在三维结构场仿真
TLIN
ID=TL9
Z0=Z23 Ohm
EL=sida1 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL11
Z0=Z12 Ohm
EL=sida1 Deg
F0=1 GHz
PORT
P=1
Z=50 Ohm
TLIN
ID=TL7
Z0=Z34 Ohm
EL=sida1 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL3
Z0=ZZ1 Ohm
EL=sida2 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL4
Z0=ZZ2 Ohm
EL=sida2 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL6
Z0=ZZ3 Ohm
EL=sida2 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL8
Z0=ZZ4 Ohm
EL=sida2 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL10
Z0=ZZ3 Ohm
EL=sida2 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL12
Z0=ZZ2 Ohm
EL=sida2 Deg
F0=1 GHz
TLIN
ID=TL14
Z0=ZZ1 Ohm
EL=sida2 Deg
F0=1 GHz
PORT
P=2
Z=50 Ohm
图3 高通电路模型
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-40
-60
-80
0.01
DB(|S(1,1)|)
Schematic 4
DB(|S(1,2)|)
Schematic 4
1.012.01
频率/GHz
2.76 GHz
-0.558 dB
0.786 6 GHz
-0.118 dB
软件中进行全腔仿真，加工实物测试，最终得到实测
性能。高通滤波器全腔结构模型如图5所示，测试响
应曲线如图6所示。
3.013.50
图4 仿真结果
图5 高通滤波器全腔结构模型
图6 测试响应曲线
4 结 论
文章提出了一种新型分布参数的高通滤波器，
采用多个模式的子网络设计方法，将子网络级联组成
高通滤波器。通过对800～2 700 MHz频段的高通滤
波器进行设计验证，结果显示测试曲线与仿真曲线吻
合良好，验证了方法的准确性和有效性，且设计灵活，
结构尺寸小。
参考文献：
development[J].IEEE Microwave Magazine，2007，
8（2）：42-54.
[3] 周金柱，张福顺，黄 进，等.基于核及其学
习的腔体滤波器辅助调试[J].电子学报，2010，
38（6）：1274-1279.
[4] TSAI L，HSUE C -band bandpass filters using
equal-length coupled-serial-shunted lines and Z-transform
technique[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and
Techniques，2004，52（4）：1111-1117.
[5] 费洪磊，唐普英.TD-SCDMA A频段交叉耦合
腔体滤波器的设计与实现[J].固体电子学研究
与进展，2011，31（22）：152-154.
[1] 甘本祓.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京：
科学出版社，1973.
[2] SNYDER R cal aspects of microwave filter
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