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(gè)重要的組成部分被廣泛應(yīng)用。作為一個(gè)器件，小型化一直是研究人員在濾波器設(shè)計(jì)中特別感興趣的一個(gè)方向，為實(shí)現(xiàn)這一目的，一般采用1/2或1/4波長(zhǎng)諧振器設(shè)計(jì)原理，在有限的設(shè)計(jì)尺寸內(nèi)盡可能延長(zhǎng)微帶線長(zhǎng)度以達(dá)到降低諧振頻點(diǎn)［1－4］。此外，因?yàn)樵O(shè)計(jì)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(zhǎng)開路微帶線或采用兩個(gè)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(duì)目標(biāo)頻段進(jìn)行抑制，降低該頻段內(nèi)的插入損耗。基于以上設(shè)計(jì)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(zhǎng)諧振器構(gòu)造基礎(chǔ)上，通過添加適當(dāng)?shù)拈_路線，改變?cè)贾C振器的諧振特性，達(dá)到抑制高次諧波，降低基頻頻率，實(shí)現(xiàn)阻帶拓寬和小型化。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用1/4波長(zhǎng)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(gè)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(gè)添加開路線的1/4波長(zhǎng)諧振器。輸入、輸出微帶饋線與添加開路線的1/4波長(zhǎng)諧振器通過縫隙耦合，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸;添加開路線的1/4波長(zhǎng)諧振器在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)需要將基頻設(shè)定在特定的通帶頻點(diǎn)附近，因?yàn)槲ч_路線的添加會(huì)對(duì)該頻點(diǎn)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(zhǎng)度調(diào)節(jié)濾波器的諧振特性，達(dá)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(gè)結(jié)構(gòu)呈中心對(duì)稱，內(nèi)部諧振器的兩邊各添加了3個(gè)微帶開路線。其中，中間開路微帶線與相鄰2個(gè)開路微帶線之間的空隙相等;兩邊2個(gè)開路線與1/4波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)諧振器的結(jié)構(gòu)圖。假設(shè)λ為微帶線上的工作波長(zhǎng)，那么諧振頻率滿足以下表達(dá)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(zhǎng)諧振器具有一系列的諧振頻點(diǎn)，這對(duì)要求工作在寬阻帶的單一頻點(diǎn)帶通濾波器是不利的，為此需要改進(jìn)此結(jié)構(gòu)，減小除基本諧振頻點(diǎn)外其他高次諧波的影響，為此設(shè)計(jì)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(diǎn)，從而有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)高次諧波的抑制和設(shè)計(jì)小型化。

圖2 基于1/4波長(zhǎng)諧振器的無開路線添加的窄帶通濾波器

2 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出的這種基于1/4波長(zhǎng)諧振器設(shè)計(jì)的寬阻帶窄帶通濾波器對(duì)高次諧波的抑制作用和小型化效果，實(shí)驗(yàn)中將濾波器設(shè)計(jì)在相對(duì)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(duì)圖2所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，使用Ansoft HFSS軟件進(jìn)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(diǎn)在1.05 GHz，第一個(gè)高次諧波出現(xiàn)在3.32 GHz，第二個(gè)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(zhǎng)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(jìn)一步驗(yàn)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(jìn)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(zhǎng)度，能有效地抑制高次諧波，同時(shí)也能降低基頻頻點(diǎn)，便于實(shí)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(duì)兩種情況的仿真和比較，驗(yàn)證了提出的寬阻帶窄帶通濾波器對(duì)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(cè)量及數(shù)據(jù)處理，得到如圖5所示的插入損耗仿真與測(cè)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(cè)試結(jié)果吻合情況良好。

圖5 基于1/4波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)比較

3 小結(jié)

為解決帶通濾波器設(shè)計(jì)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(zhǎng)諧振器結(jié)構(gòu)上添加開路線的方法實(shí)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(jì)方面，1/4波長(zhǎng)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(zhǎng)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(diǎn)，促進(jìn)了小型化。通過仿真軟件對(duì)該方案的驗(yàn)證及網(wǎng)絡(luò)分析儀的實(shí)物測(cè)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(jì)。

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