一種小型化寬阻帶窄帶通濾波器的研究

馬興兵，鄭宏興

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津 300222)

在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，帶通濾波器作為一個重要的組成部分被廣泛應(yīng)用。作為一個器件，小型化一直是研究人員在濾波器設(shè)計中特別感興趣的一個方向，為實現(xiàn)這一目的，一般采用1/2或1/4波長諧振器設(shè)計原理，在有限的設(shè)計尺寸內(nèi)盡可能延長微帶線長度以達到降低諧振頻點［1－4］。此外，因為設(shè)計需要，要求降低或消除鄰近高次諧波的干擾，解決這一問題的常見方法是在輸入、輸出端傳輸饋線上添加λ/4波長開路微帶線或采用兩個相同的添加開路線的階躍阻抗諧振器結(jié)構(gòu)［5－8］，這些方法均能有效地對目標(biāo)頻段進行抑制，降低該頻段內(nèi)的插入損耗。基于以上設(shè)計思路，提出一種新型的小型化寬阻帶窄帶通濾波器，在傳統(tǒng)的1/4波長諧振器構(gòu)造基礎(chǔ)上，通過添加適當(dāng)?shù)拈_路線，改變原始諧振器的諧振特性，達到抑制高次諧波，降低基頻頻率，實現(xiàn)阻帶拓寬和小型化。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用1/4波長諧振器結(jié)構(gòu)的寬阻帶窄帶通濾波器由兩部分組成:2個結(jié)構(gòu)相同且與50 Ω電阻匹配的輸入、輸出微帶饋線，1個添加開路線的1/4波長諧振器。輸入、輸出微帶饋線與添加開路線的1/4波長諧振器通過縫隙耦合，實現(xiàn)信號的傳輸;添加開路線的1/4波長諧振器在設(shè)計時根據(jù)需要將基頻設(shè)定在特定的通帶頻點附近，因為微帶開路線的添加會對該頻點產(chǎn)生小的偏離，需要反復(fù)校準(zhǔn)。通過改變添加到諧振器上的開路線長度調(diào)節(jié)濾波器的諧振特性，達到降低濾波器插入損耗目的，以便最終獲得寬阻帶。濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個結(jié)構(gòu)呈中心對稱，內(nèi)部諧振器的兩邊各添加了3個微帶開路線。其中，中間開路微帶線與相鄰2個開路微帶線之間的空隙相等;兩邊2個開路線與1/4波長諧振器的微帶主線間的空隙也相等。除了與輸入、輸出端口相連微帶線的寬度a，其他微帶線寬度相同。輸入、輸出微帶饋線與添加開路線的1/4波長諧振器之間的耦合縫隙相等，參數(shù)為e。

圖1 基于1/4波長諧振器的寬阻帶窄帶通濾波器

為便于分析圖1的工作原理，圖2給出了傳統(tǒng)的1/4波長諧振器的結(jié)構(gòu)圖。假設(shè)λ為微帶線上的工作波長，那么諧振頻率滿足以下表達式

式中:n≥0且為整數(shù)。從式(1)容易發(fā)現(xiàn)如圖2所示的傳統(tǒng)1/4波長諧振器具有一系列的諧振頻點，這對要求工作在寬阻帶的單一頻點帶通濾波器是不利的，為此需要改進此結(jié)構(gòu)，減小除基本諧振頻點外其他高次諧波的影響，為此設(shè)計了如圖1所示的這種添加開路微帶線的新結(jié)構(gòu)，開路微帶線的加入改變了原先諧振器的諧振特性，降低了基本諧振頻點，從而有效地實現(xiàn)了對高次諧波的抑制和設(shè)計小型化。

圖2 基于1/4波長諧振器的無開路線添加的窄帶通濾波器

2 仿真及實驗驗證

為驗證所提出的這種基于1/4波長諧振器設(shè)計的寬阻帶窄帶通濾波器對高次諧波的抑制作用和小型化效果，實驗中將濾波器設(shè)計在相對介電常數(shù)3.2，厚度1.14 mm的介質(zhì)板上。為便于比較，首先對圖2所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行測試，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，使用Ansoft HFSS軟件進行仿真，該帶通濾波器的插入損耗如圖3所示，從圖中看出基本頻點在1.05 GHz，第一個高次諧波出現(xiàn)在3.32 GHz，第二個高次諧波的插入損耗影響已經(jīng)很小。

表1 無開路線添加的帶通濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

圖3 基于1/4波長諧振器的無開路線添加的帶通濾波器的插入損耗和回波損耗

在圖2所示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進一步驗證添加開路微帶線后帶通濾波器的插入損耗變化情況，濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，使用Ansoft HFSS軟件進行仿真優(yōu)化，確定f=1.5，g=1，m=5.5，n=2.5，單位為 mm，與無開路線添加的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的效果比較如圖4所示，從圖中變化可以發(fā)現(xiàn)適當(dāng)選擇開路微帶線的長度，能有效地抑制高次諧波，同時也能降低基頻頻點，便于實現(xiàn)小型化。

圖4 開路線添加與無添加兩種情況下帶通濾波器的插入損耗比較

通過以上對兩種情況的仿真和比較，驗證了提出的寬阻帶窄帶通濾波器對高次諧波的抑制作用，基于表1，f=1.5，g=1，m=5.5，n=2.5，制作了如圖 1 所示的帶通濾波器，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量及數(shù)據(jù)處理，得到如圖5所示的插入損耗仿真與測試比較曲線，發(fā)現(xiàn)該窄帶通濾波器在1.06～6.07 GHz頻帶內(nèi)插入損耗基本維持在－17 dB以下，具有寬阻帶特性，并且仿真與測試結(jié)果吻合情況良好。

圖5 基于1/4波長諧振器的小型化寬阻帶窄帶通濾波器插入損耗的仿真與實驗比較

3 小結(jié)

為解決帶通濾波器設(shè)計的小型化及高次諧波干擾問題，本文給出一種在傳統(tǒng)1/4波長諧振器結(jié)構(gòu)上添加開路線的方法實現(xiàn)器件小型化、降低高次諧波插入損耗，消減諧波影響。在小型化設(shè)計方面，1/4波長諧振器能有效減小器件尺寸，開路線的加入不僅改善了傳統(tǒng)1/4波長諧振器的諧振特性，消減了高次諧波的影響，而且還降低了基頻諧振點，促進了小型化。通過仿真軟件對該方案的驗證及網(wǎng)絡(luò)分析儀的實物測試表明，此方案具有良好的效果，能廣泛應(yīng)用于窄帶通濾波器的高次諧波抑制處理和小型化設(shè)計。

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