采用折疊型階躍阻抗諧振器的新穎雙頻帶帶通濾波器

馬德臣， 肖中銀， 相亮亮， 黃春艷， 寇 鑫， 吳效環

(上海大學通信與信息工程學院，上海200072)

隨著無線通信技術的飛速發展，同時工作在2個或多個頻帶的通信系統已成為無線通信研究的一個重要方向.雙頻帶濾波器是射頻前端的一個重要器件，其性能優劣影響著整個通信系統，因此，小尺寸、低損耗、頻率選擇性高、低成本的濾波器將是現代無線通信系統研究的目標.雙頻帶濾波器最簡單的設計方法就是將2個不同頻率的帶通濾波器進行組合，但是這種濾波器的結構尺寸偏大，而且還需要額外的附加電路［1］.此外，還可以將一個寬帶通濾波器和一個阻帶濾波器進行串聯，用于設計雙頻帶濾波器，但同樣會使濾波器的尺寸偏大，且增加了設計成本［2］.平行耦合線的方法也可用于設計雙頻帶濾波器，方法雖然簡單，但結構尺寸還是較大，其中文獻［3］中濾波器的長度達到了70 mm.近年來，階躍阻抗諧振器(stepped impedance resonator，SIR)因其結構簡單和具有多頻特性而被廣泛應用于多頻帶濾波器的設計中［4-9］.在文獻［4］中，雖然帶外特性較好，但是帶內插入損耗太大，2個通帶的插入損耗達到了5 dB.在文獻［5］中，雖然帶內特性滿足要求，但是兩通帶間需要增加額外的傳輸零點以提高帶外抑制.在文獻［6-9］中，雖然通帶間性能及帶外性能較好，但是2個中心頻率存在不可調節的缺點.

為了實現2個中心頻帶可調、帶內低插入損耗及通帶間高的隔離度，本研究設計了一種新穎的小型雙頻帶帶通濾波器.采用2個半波長SIR外加2個枝節，通過合理調節長度比和阻抗比，獲得了性能較好的2個中心頻率，分別為2.4和5.2 GHz;并且在低頻和高頻間產生一個傳輸零點，提高了帶外抑制，使插入損耗大于20 dB的隔離頻段為2.6～4.6 GHz.濾波器的整個尺寸僅為24 mm×30 mm.最后，加工并實測濾波器的性能，頻率響應的仿真和實驗測量結果基本吻合.

1 折疊型SIR雙頻帶帶通濾波器的設計原理

傳統的半波長SIR結構如圖1(a)所示，它主要由兩段特性阻抗值不同的傳輸線組成.改進后的SIR結構如圖1(b)所示，通過折疊2個枝節，使諧振器的尺寸變小.同時，該折疊型SIR能產生偶模和奇模2種模式，如圖1(c)所示.

當偶模激勵時，根據傳輸線理論，輸入阻抗為

諧振時，可得到

式中，R1e為阻抗比.由式(2)可知，偶模的諧振與電長度θ1e，θ2有關，也與阻抗比R1e有關.

當奇模激勵時，根據傳輸線理論，輸入阻抗為

諧振時，可得到

圖1 階躍阻抗諧振器和奇偶模結構Fig.1 SIRs and structures of odd-even modes

由式(4)可知，奇模的諧振與θ1o有關.

通過電磁軟件Sonnet仿真，可以看出折疊型SIR的奇模和偶模分布.圖2所示為L不同時的奇偶模分布圖.可見，隨著L的減小，奇模的諧振頻率不變，而偶模的諧振頻率增大.

圖2 折疊型SIR的奇偶模分布Fig.2 Odd-even modes of folded SIR

圖3為本研究設計的濾波器結構.該濾波器是由2個折疊型SIR構成，通過奇偶模分析，可以得到所要的中心頻帶2.4和5.2 GHz.因此，對于本研究設計的雙頻帶濾波器，通過改變低阻抗線的長度L，可以很好地控制第二頻帶的位置，調節較為方便.圖4所示為本研究設計的濾波器結構的優點.在不加枝節A和B的情況下，在第一通帶的下邊帶會出現一些雜波，不能滿足所要求的回波損耗;第二通帶外的回波損耗雖然滿足要求，但是帶內只有15 dB.在加有枝節A和B的情況下，2個中心頻率并沒有明顯的變化，而且帶內回波損耗都達到了25 dB左右，改進了濾波器的性能.圖5所示為本研究所設計的雙頻帶帶通濾波器的實物圖.

圖3 提出的濾波器結構Fig.3 Topology of proposed filter

圖4 加和不加A，B兩枝節的比較Fig.4 Comparison of with and without A，B stubs

2 仿真與測量結果

根據上述濾波器的理論分析，通過電磁仿真和優化，最后確定了濾波器的尺寸為W1=6.0 mm，W2= 0.6 mm，W3=6.7 mm，L1=12.8 mm，L2=6.0 mm， L3=0.6 mm，L4=1.2 mm，L5=1.2 mm，L6= 7.2 mm，L7=1.8 mm，G=1.6 mm，S=0.2 mm.所選介質板的介電常數為 εr=10.2，厚度為 h= 0.8 mm.整個濾波器的尺寸為24 mm×30 mm.測量結果是由矢量網路分析儀Agilent 8722ES測得，仿真和測量結果如圖6所示.測量結果顯示，2個中心頻率在2.4和5.2 GHz，第一通帶的回波損耗在20 dB以下，插入損耗小于0.2 dB，且3 dB相對帶寬為6.3%;第二通帶的回波損耗在20 dB以下，插入損耗小于0.5 dB，且3 dB相對帶寬為3.4%.測量結果表明，濾波器有一個傳輸零點，這是由抽頭線輸入輸出結構產生的，而且這個傳輸零點提高了帶外抑制，使帶外插損達到了60 dB.但是相對于仿真結果，此頻率點發生了偏移，在兩通帶間，插損大于20 dB的隔離頻段為2.6～4.6 GHz.比較仿真和測量結果，整個頻帶的回波損耗和插入損耗存在一點偏差，諧振點產生偏移，這主要是由于材料介電常數的不均勻性、實物測量存在的介質損耗、SMA接頭損耗以及輻射損耗等引起的，但測量結果總體與仿真結果基本吻合.

圖5 濾波器實物Fig.5 Photograph of fabricated filter

圖6 仿真和測量結果對比Fig.6 Comparison of simulated and measured results

3 結束語

本研究以半波長折疊型SIR為基礎，設計了一種應用于無線局域網的新穎的小型化雙頻帶帶通濾波器.通過改變阻抗比，能夠調節該濾波器中心頻率的位置，使中心頻率在2.4和5.2 GHz時的3 dB相對帶寬分別為6.3%和3.4%;并且在低頻和高頻間產生一個傳輸零點，提高了帶外抑制，使插入損耗大于20 dB的隔離頻段為2.6～4.6 GHz.電磁仿真和測量結果基本吻合.該濾波器結構簡單、尺寸小、易加工，能適用于緊湊的通信系統.

［1］ MIYAKEH，KITAZAWAS，ISHIZAKIT，et al.A miniaturized monolithic dual band filter using ceramic lamination technique for dual mode portable telephones［J］.IEEE MTT-S Int Microwave Symp，1997，2：789-792.

［2］ TSAIL C，HUSEC W.Dual-band bandpass filters using equallength coupled-serial-shunted lines and Z-transform technique［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2004，52(4)：1111-1117.

［3］ LEES，LEEY.A planar dual-band filter based on reduced-length parallelcoupled lines［J］. IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2010，20 (1)：16-18.

［4］ YEUNGL K，WUK L.A dual-band coupled-line balun filter［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2007，55(11)：2406-2411.

［5］ SUNS，ZHUL.Compact dual-band microstrip bandpass filter without external feeds［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2005，15(10)：644-646.

［6］ CHANGY C，KAOC H，WENGM H，et al.Design of the compact dual-band bandpass filter with high isolation for GPS/WLAN applications［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2009，19(12)：780-782.

［7］ WENGM H，WUH W，SUY K.Compact and low loss dual-band bandpass filter using pseudo-interdigital stepped impedance resonators for WLANs［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2007，17 (3)：187-189.

［8］ WANGJ P，WANGB Z，WANGY X，et al.Dual-band microstrip stepped-impedance bandpass filter with defected ground structure ［J］. Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2008，22(4)：463-470.

［9］ HUANGT H，CHENH J，CHANGC S，et al.A novel compact ring dual-mode filter with adjustable secondpassband for dual-band application ［J］. IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2006，16 (6)：360-362.