基于多模諧振加載支節的小型化雙通帶濾波器設計

蘇光杰 李 紅 陳富倉

(廣東省佛山市健博通天線有限公司 廣東省佛山 528061)

1 引言

在目前的通信領域中，系統常常工作在多個頻段，例如在WLAN中，很多設備要同時支持2.4GHz頻段與5.5GHz頻段的同時接入，因此相應的需要雙頻濾波器以實現系統小型化［1］。針對這一需求，人們提出了很多雙頻濾波器的設計方法，但大致上可以分為兩種實現方式，一是將兩套諧振器并聯共用輸入輸出端，實際上也就是將兩個獨立的濾波器的輸入輸出耦合結構共用［2，3］，因此，濾波器的結構尺寸難以充分壓縮。另外一種方法是使用一個諧振器，并通過巧妙的設計使此諧振器的諧振頻率可以精確的控制，進而使其諧振到所需的兩個或多個諧振頻率上［4～9］。這種濾波器的典型例子是階梯阻抗諧振器與支節加載諧振器。最近，因為其諧振頻率更容易控制，支節加載諧振器在雙頻乃至多頻濾波器中獲得了更為廣泛的應用。然而，目前所報道的幾種使用支節加載技術的雙頻濾波器使用的是在同一點加載的技術，因此，一個諧振器在通帶附近只能形成一個傳輸零點。

在文獻［10，11］中，有些超寬帶(UWB)濾波器使用多模諧振器(MMR)技術。基于文獻介紹的多模諧振技術，本文使用了3個諧振支節，如圖1所示，兩邊的支節相對中間支節對稱分布。使用這種技術，可以額外獲得一個自由度以控制前4個諧振模式，同時，通過合理設計輸入端的耦合結構可以提供可調的傳輸零點以提高濾波器的帶外抑制特性［12］。基于上述技術，設計了一個工作于WLAN頻段的雙頻濾波器，并進行了仿真驗證與實際測試。

2 雙頻濾波器設計

如圖1所示，雙頻濾波器的MMR由三根開路支節構成，兩邊的支節相對中間支節對稱分布，其長度分別記為LS1和 LS2。

圖1 濾波器的結構示意圖

首先研究MMR通過弱電容性耦合用50歐姆阻抗線饋電的情況。由MMR的對稱結構易知，整個對稱結構的對稱軸對奇模諧振模式來說，可以等效為電壁，也就是短路點，而對偶模來說，可以等效為磁壁，也就是開路點。因此，中心的加載支節將只影響奇諧振模式。這一規律可以通過仿真來驗證，不妨令其他結構參數不變(Ls2=8.8 mm，L3=5.7 mm)，只改變中心支節的長度，使其 Ls1選擇18.5，19.5和20.5 mm 3種情況。如圖2所示，可見此時第1、3、4個諧振頻率基本保持不變，而只有第2個諧振點下移。由此，可以調整第2個諧振模式，使其與第1個諧振點一起形成雙頻帶通濾波器的第1個通帶。

圖2 僅LS1改變時濾波器的傳輸特性曲線

另外，兩邊的支節通過改變長度可以形成另外兩個自由度以調整上述4個諧振頻率的位置。如圖3所示，保持Ls1=19.5 mm，L3=5.7mm不變，使Ls2選擇8.3、8.8 and 9.3 mm 3種情況，可見第1諧振點略微下降，第3及第4諧振點則更顯著的向低頻靠近，而第2諧振點則基本保持不變。如圖4所示，保持Ls1=19.5 mm，Ls2=8.8 mm，讓 L3選擇5.2、5.7和6.2 mm時，第一諧振點略向低端移動，而第3、4諧振點則向高端移動。因此，調整兩邊的支節，可以控制雙頻諧振器的第2個通帶。

由上述分析可知，使用這一MMR結構，可在兩個通帶內各產生兩個傳輸極點。因此，如果通過合理的設計饋電部分的耦合，可以增加兩個頻段上的傳輸特性，從而形成雙頻帶通響應。同時，由于整個濾波器中使用了多根傳輸線，其傳輸線間的耦合，可產生傳輸零點，從而增加帶外抑制。

3 測試結果

經過上述設計過程，在介電常數為εr=2.55，損耗角正切為tanδ=0.0029，厚度h=0.8 mm的聚四氟乙烯基片上實現了上述設計。此雙頻濾波器的設計目標是工作頻段為f1=2.4 GHz，f2=5.2 GHz，兩個頻段的相對帶寬都是2%。經過優化設計后獲得的結構尺寸參數為(參見圖1):L1=7.5 mm，L2=2.9 mm，L3=5.7 mm，Ls1=20.5 mm，Ls2=8.8 mm，W1=1 mm，W2=0.5 mm，Lf1=10 mm，Lf2=0.8 mm，S1=S2=0.2 mm。為減小其尺寸，中心加載支節作了適當彎曲，最后實現的濾波器尺寸為26mm×14mm，相當于 2.4GHz上的 0.3λg×0.16λg，λg為2.4GHz在此基片上50Ω微帶線的線上波長。可見，此濾波器很好的實現了小型化設計。最終濾波器的照片如圖5所示。

圖5 濾波器的照片

圖6 顯示了此濾波器仿真與實測的響應曲線。從測試曲線中可看到，在其兩個通帶之間，有3個傳輸零點產生，這大大提升了濾波器的帶外抑制性能。同時可見，其仿真的3dB帶寬在2.4GHz頻段為2.34～2.5GHz，在 5.2GHz頻段為 5.13 ～5.3GHz。實測帶寬比仿真結果略寬，這可能是因為加工誤差所致。而兩個通帶內的插損分別是1.2dB和1.9dB，這在雙頻濾波器中屬于較好的指標。

圖6 濾波器的仿真與實測結果

4 結論

本文提出了用加載支節多模諧振器設計雙頻濾波器的設計方法，此諧振器作了原理上的分析，給出了此種濾波器的設計準則，并實際設計制作了一個工作在WLAN頻段的雙頻濾波器。仿真與實驗結果吻合良好，證明的此設計方法的有效性。所設計的濾波器，具備帶外抑制較好，且結構上具備小型化特點。

［1］Chang，S.F.R，et al.A dual-band RF transceiver for multi-standard WLAN applications［J］.IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，2005，53(3):1048-1055.

［2］Chen，C.Y.and Hsu，C.Y.A simple and effective method for microstrip dual-band filters design［J］.IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.，2006，16(5):246-248.

［3］Chen，C.F.，et al.Design of dual and triple passband filters using alternately cascaded multiband resonators［J］.IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，2006，54(9):3550-3558.

［4］Zhang，Y.P.，and Sun，M.Dual-band microstrip bandpass filter using stepped-impedance resonators with new coupling schemes［J］.IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，2006，54(10):3779-3785.

［5］Sun，S.and Zhu，L.Compact dual-band microstrip bandpass filter without external feeds［J］.IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.，2005，15(10):644-646.

［6］Weng，M.H.，et al.Compact and low loss dual-band bandpass filter using pseudo-interdigital stepped impedance resonators for WLANs［J］.IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.，2007，17(3):187-189.

［7］Zhang，X.Y.，et al.Dual-band bandpass filter using stub-loaded resonators［J］.IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.，2007，17(8):583-585.

［8］Mondal，P.，and Mandal，M.K.Design of dual-band bandpass filters using stub-loaded openloop resonators［J］.IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，2008，56(1):150-155.

［9］Li，R.，and Zhu，L.Compact UWB Bandpass filter using stub-loaded multiple-mode resonator［J］.IEEE Microw.Wirel.Comp.Lett.，2007，17(1):40-42.

［10］Chu，Q.X.，and Li，S.T.Compact UWB bandpass filter with improved upper-stopband performance［J］.Electron.Lett.，2008，12(12):742-743.

［11］Amari，S.，Rosenberg，U.，and Bornemann，J.Adaptive synthesis and design of resonator filters with source/load-multi-resonatorcoupling［J］. IEEE Trans. Microw. Theory Tech.，2002，50(8):1969-1978.

［12］Amari，S.Direct synthesis of folded symmetric resonator filters with source-load coupling［J］.IEEE Microw.Wirel.Comp.Lett.，2001，11(6):264-266.