應用于WLAN/WiMAX的新型雙模雙通帶微帶濾波器

摘 要： 提出了一種新型應用于WLAN/WiMAX的對稱T型開路支節(jié)加載的雙模雙通帶濾波器，并對其進行了奇偶模分析，電場分布和電流分布分析。該濾波器的兩個通帶分別由奇模和偶模產(chǎn)生，且具有3個傳輸零點，帶內(nèi)插損分別為0.76 dB/1.13 dB，帶內(nèi)反射分別為-19.2 dB/-15.1 dB，在3.75～7.33 GHz內(nèi)，其衰減達到-20 dB以下，具有高選擇性和寬阻帶的特性，且濾波器的實測結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合。該雙模濾波器具有非常小的尺寸，大小為14.03 mm×31.48 mm，即0.15 λg × 0.34 λg，所以該雙模濾波器在工程領域非常具有應用價值。

關鍵詞： 雙模雙通帶； WLAN/WiMAX； 對稱T型支節(jié)； 奇偶模分析

中圖分類號： TN713.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0074?04

Application of novel dual?mode dual?band microstrip filter in WLAN/WiMAX

HU Chang?hai， XIONG Xiang?zheng， WU Yan?liang

（Institute of Electromagnetics， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract： A novel dual?mode dual?band bandpass microstrip filter loaded with symmetric T?shape open?circuit subs and applied to WLAN/WiMAX is proposed in this paper. The odd?and even?mode characteristics， electric field distribution and current distribution are analyzed. The two passbands of the filter are produced by the odd?mode resonant frequencies and the even?mode resonant frequencies respectively， which has three transmission zeros. The in?band insertion loss is 0.76 dB/1.13 dB and return loss is -19.2 dB/-15.1 dB respectively. The attenuation of upper?stopband is less than -20 dB in the range of 3.75～7.33 GHz. The filter has high selectivity and broad stopband. The measured results of the filter are coincide with the simulated results. The proposed filter has very small size which is 14.03 mm×31.48 mm， i.e.， [0.15λg×0.34λg.] So the proposed dual?mode filter has important application value in the engineering field.

Keywords： dual?mode dual?band； WLAN/WiMAX； symmetric T?shape stubs； odd? and even?mode analysis

0 引 言

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展， 同時工作在兩個或多個頻段的通信系統(tǒng)成為無線通信研究的一個重要方向[1]，因此多頻微波元件是近年來的研究熱點之一，這帶動了多頻濾波器技術(shù)的發(fā)展。例如無線局域網(wǎng) （WLAN）和寬帶互通微波接入（WiMAX）等。目前的WLAN主要工作在2.45 GHz（2.4～2.484 GHz）、5.2 GHz（5.15～5.35 GHz）和5.8 GHz（5.725～5.825 GHz），而WiMAX工作在2.5 GHz（2.5～2.69 GHz）、3.5 GHz （3.4～3.69 GHz）和5.5 GHz（5.25～5.85 GHz）。另一方面，具有小型化、低成本、易制作等特性的多頻段濾波器已經(jīng)成為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中最重要的電路組成器件之一。

微帶雙模濾波器[2?3]由于結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、成本低、易于集成、插入損耗低，且固有的階數(shù)是傳統(tǒng)濾波器階數(shù)的一半，能夠減小尺寸，使結(jié)構(gòu)更緊湊，因此在衛(wèi)星通信和無線通信中得到了廣泛的應用，同時受到了許多研究人員的關注和重視。在20世紀70年代，Wolff首次提出并設計了第一個微帶雙模濾波器[4]，此后人們便開始了對微帶雙模濾波器的研究[5?6]，其在濾波器領域扮演著重要角色。

本文提出了一種新型的對稱T型開路支節(jié)加載雙模諧振器，首先對其奇偶模原理進行了分析[7?8]，接著對雙模諧振器的電場分布和電流分布進行分析，最后設計出了一個應用于WLAN和WiMAX頻段的雙通帶濾波器，其中心頻率分別為2.4 GHz和3.5 GHz，并對其進行了耦合原理分析和耦合間距對帶寬的影響的分析。最后實測效果很好，在帶外產(chǎn)生了3個傳輸零點，上阻帶具有較好的帶外抑制。最后的仿真和實驗測量結(jié)果非常吻合，具有很好的一致性。

1 對稱T型開路支節(jié)加載分析

本文所提出的對稱T型開路支節(jié)加載的雙模諧振器是由一個半波長階躍阻抗諧振器和兩個對稱的T型開路枝節(jié)組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。

由于該結(jié)構(gòu)關于對稱面AA′有對稱的特性，可以利用經(jīng)典的奇偶模分析法來對該諧振器的諧振頻率進行分析。根據(jù)雙模諧振器模型， 這種結(jié)構(gòu)具有兩種諧振模式，即奇模諧振模式與偶模諧振模式。

以奇模電壓源激勵時，對稱面是電壁，對稱面AA′的電壓為零，等效為短路狀態(tài)，相應的等效電路如圖1（b）所示。

以偶模電流源激勵時，對稱面是磁壁，對稱面AA′處電流為零，等效為開路狀態(tài)，相應的等效電路如圖1（c）所示。

圖1 奇偶模分析

當忽略諧振器不連續(xù)性時，奇模激勵時的輸入阻抗[Zinodd]可以表示為：

[Zinodd=jZ1Z1tanθ1+Z2tanθ2Z1-Z2tanθ1tanθ2] （1）

其諧振條件為[Zinodd=∞。]從公式（1）可以看出，奇模諧振頻率只與[θ1，θ2，Z1，Z2]有關，與中間對稱T型開路支節(jié)無關。同理，當偶模激勵時，可以得到偶模的諧振頻率與中間T型開路支節(jié)有關，當中間對稱T型開路支節(jié)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，偶模諧振頻率會發(fā)生相應的變化，而對奇模的諧振頻率沒有影響。

圖2顯示了該雙模諧振器的奇模和偶模的電場分布圖。

如圖2（a）所示，奇模的電場分布主要分布在階梯阻抗諧振器的左邊和右邊，而且是對稱的。而在對稱T型開路支節(jié)這部分沒有場強分布，顯然和支節(jié)加載部分無關。

同樣，從圖2（b）中可以看到，階梯阻抗諧振器和對稱T型支節(jié)都分布有電場，而且電場是關于對稱面AA′對稱的，這就是偶模的電場分布。因此，對稱T型支節(jié)對奇模諧振頻率不產(chǎn)生影響，只影響偶模諧振頻率。

圖2 奇偶模的場強分布

圖3顯示了對稱T型支節(jié)加載諧振器的電流分布圖。

圖3 奇偶模的電流分布

如圖3（a）所示，表面電流主要分布在階梯諧振器的左邊和右邊，電流是從右邊支節(jié)流向左邊支節(jié)，而且對稱T型支節(jié)對奇模是沒有影響的，這就是奇模的電流分布特性。

圖3（b）顯示了偶模的電流分布，整個雙模諧振器都有電流分布。從圖中可以觀察到，電流從兩個T型支節(jié)流入階梯阻抗諧振器，再流向兩端的支節(jié)，而且關于對稱面AA′對稱。

2 濾波器設計實例

為了驗證以上的理論分析，采用文中所討論的雙模諧振器設計了一個應用于WLAN/WiMAX的雙模雙通帶濾波器。濾波器的設計指標為：第一個通帶的中心頻率為2.4 GHz，應用于WLAN頻段；第二通帶的中心頻率為3.5 GHz，應用于WiMAX頻段；帶內(nèi)插入損耗小于1 dB，帶內(nèi)回波損耗都為-20 dB，在上阻帶3.8～6.9 GHz內(nèi)，抑制要大于20 dB。采用的介質(zhì)板的介電常數(shù)為2.2，厚度為0.508 mm，損耗角正切tan δ=0.000 9，銅箔厚度為0.018 mm。

基于以上設計指標，首先根據(jù)給定的第一通帶的中心頻率確定半波長諧振器的尺寸，而后調(diào)節(jié)對稱T型開路支節(jié)長度，大致達到第二通帶的中心頻率。通過建模仿真，最終確定了諧振器的物理尺寸，得到濾波器的版圖如圖4所示，尺寸大小為14.03 mm×31.48 mm，對應的波導波長為[0.15λg×0.34λg，]總的面積為[0.051λ2g，]其具體的物理尺寸如下：

[W0=]1.54 mm，[Wt=]0.57 mm，[Lt=]3.12 mm，[S=]0.99 mm，[W1=]0.8 mm，[W2=]2.46 mm，[W3=]0.72 mm，[W4=]0.94 mm，[L1=]19.47 mm，[L2=]4.12 mm，[L3=]2.63 mm，[L4=]3.33 mm，[L5=]0.79 mm，[L6=]17.86 mm。

由圖4可知，源/負載與第一/二個雙模諧振器采用的是抽頭饋線耦合，兩雙模諧振器的兩邊支臂相互耦合。這樣的結(jié)構(gòu)有利于兩個通帶的調(diào)節(jié)和結(jié)構(gòu)的緊湊。

圖4 雙模雙通帶濾波器的設計版圖

雙模諧振器級聯(lián)的耦合原理[9?10]如圖5所示。圖中的[S]表示源，[L]表示負載。

從圖5中可以看出，源與第一個諧振器和第二個諧振器的奇模偶模都有耦合，負載也與第一個諧振器和第二個諧振器的奇模偶模都有耦合。第一個諧振器的奇模與第二個諧振器的奇模耦合，構(gòu)成第一個通帶；第一個諧振器的偶模與第二個諧振器的偶模耦合，構(gòu)成第二個通帶，這樣就形成了一個雙模雙通帶的濾波器。

圖5 雙模雙通帶濾波器的耦合原理

圖6顯示了濾波器在不同間距[S]的情況下帶寬的特性。可以看到，耦合間距[S]能有效地調(diào)節(jié)濾波器的帶寬特性，當間距[S]從0.6 mm增加到1.1 mm時，濾波器的兩個帶寬明顯減小。因此可以調(diào)節(jié)[S]參數(shù)來得到想要的帶寬，而且濾波器的其它特性幾乎不變。

圖7為該雙模濾波器的仿真結(jié)果，此結(jié)果達到了設計的要求。第一個通帶的中心頻率為2.45 GHz，第二個通帶的中心頻率為3.52 GHz，它們的帶內(nèi)的反射系數(shù)都小于-20 dB，而且在帶外產(chǎn)生了三個零點[TZ1，TZ2，][TZ3，]其頻率分別為1.98 GHz，2.93 GHz，3.935 GHz，其衰減分別為-54.3 dB，-40.7 dB，-58.1 dB。而且在上阻帶3.78～-6.94 GHz內(nèi)，其衰減達到-20 dB以下，具有非常好的帶外抑制能力。

圖6 間距[S]對帶寬的影響

圖7 雙模雙通帶濾波器仿真結(jié)果

圖8為加工實物圖，可以看到其尺寸比傳統(tǒng)的雙通帶濾波器小很多，說明雙模諧振器具有小型化的優(yōu)點。

圖8 實際加工的濾波器

這里使用的測試儀器為Agilent公司的E5071C矢量網(wǎng)絡分析儀，在常溫條件下對制作的雙模濾波器進行測試， 實際測量結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合， 如圖9所示。

圖9 仿真與實測對比

從實測結(jié)果來看，中心頻率分別為2.44 GHz和3.48 GHz，3 dB帶寬分別為10.7%和6.9%，對應的插入損耗為0.76 dB和1.13 dB，帶內(nèi)反射分別優(yōu)于19.2 dB和15.1 dB。帶外產(chǎn)生了三個零點TZ1，TZ2，TZ3，其頻率分別為1.96 GHz，2.94 GHz，3.91 GHz，其衰減分別為-53.8 dB，

-43.9 dB，-45.6 dB。在上阻帶3.75～7.33 GHz內(nèi)，其衰減達到-20 dB以下。由此可見，雙模雙通帶濾波器的性能非常好。

3 結(jié) 論

本文提出了一種新型的對稱T型開路支節(jié)加載的雙模諧振器結(jié)構(gòu)，并對諧振器進行了奇偶模分析，電場分布和電流分布分析，且設計加工了一個應用于WLAN/WiMAX頻段的尺寸小、性能好的雙模雙通帶濾波器。此雙模濾波器的兩個通帶是獨立可控的，可分別通過調(diào)節(jié)奇模偶模來實現(xiàn)。所設計的濾波器在帶外實現(xiàn)了3個傳輸零點，實現(xiàn)了寬阻帶抑制。并通過仿真、加工、測試，最后的實測結(jié)果與仿真結(jié)果一致性很好，完全達到了設計要求。這種插損低、尺寸小、高選擇性的新型雙模結(jié)構(gòu)，具有很大的潛在應用價值。

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作者簡介：胡昌海 男，1987年出生，重慶人，碩士。主要研究方向為微波電路與微波器件。

熊祥正 男，1964年出生，成都人，教授。主要研究方向為微波電路與微波器件。

吳彥良 男，1981年出生，成都人，博士。主要研究方向為微波電路與微波器件。