新型折疊多模微帶帶通濾波器設計

歐陽志權，張友俊

（上海海事大學 上 海 2 01306）

隨著科技的日新月異，人們對信息傳輸系統的帶寬要求越來越高，這決定了無線電技術未來的演進方向仍將以頻率為主。但是通信系統的帶寬限制了無線通信系統的快速發展。打破這種帶寬限制的關鍵，無疑正是已經具有一定歷史并日趨成熟的超寬帶（Ultra-Wideband）技術。自2002年美國聯邦通信委員會（FCC）開放3.1GHz至10.6 GHz頻段并允許其商用和民用至今，對寬帶濾波器的研究已取得很大進步[1]。寬帶濾波器的設計方案主要有兩類：一是基于階梯阻抗諧振器（SIR）和強I/O耦合設計[2]，這被稱為經典的多模諧振濾波器；另一是以最佳分布式高通濾波器為基礎[3]，并進一步將此應用于寬度濾波器的設計中[4]。盡管這兩類濾波器已廣泛應用于衛星、通信、雷達和醫療中，但除滿足各系統的帶寬要求外，低損耗及小型化的濾波器研究與設計[5]仍然是研究者們探索的重點。

通過合適的微擾及饋電方式，可以有效地激勵起包括高次模在內的多種模式，高次模之間相互耦合，將有可能實現更寬的通帶響應和更優異的性能[6]；同時電流的流經長度也與濾波器的中心頻率息息相關，較長的流經長度將產生較小的中心頻率。基于這種思想，本論文在折疊多模諧振器的基礎上，提出了一種新型的設計方案，即在諧振器的邊緣挖出兩個矩形槽，從而增加電流的流經長度。同時，在I/O端采用縫隙耦合的饋電方式，進一步增強了高次模之間的耦合效果。這種方案不僅可以有效減小濾波器尺寸，同時也能有效改善濾波器性能。

1 濾波器結構分析

折疊多模諧振器[7]和單模諧振器具有相似的結構和諧振特點。折疊多模諧振器是將經典多模諧振器的兩個翼折疊而成的[8]。這種做法使得折疊多模諧振器的高阻抗線和低阻抗線位于同一側，它的最大優勢是將其尺寸減小為經典多模諧振器長度的3/4，使得諧振器結構更為緊湊。

折疊多模諧振器是濾波器小型化設計的一大亮點，它的出現不僅減小了濾波器的尺寸，同時有效改進了濾波器的總體性能。本文所使用的折疊多模諧振器采用方形貼片結構，此結構的諧振器除了存在TM1，0，0和TM0，1，0這一對簡并模外，還存在一些高次模分量。這些高次模分量的諧振頻率[9]可由式（1）求解得出。

圖1給出了折疊多模諧振器的等效傳輸電路，它對濾波器的結構提供了更深入的觀察機制。如圖1所示，與經典多模諧振器相比，折疊諧振器有一個長度為半波長的低阻抗線、兩個同側的1/4波長的高阻抗線以及兩個能在通帶內提供額外傳輸零點的開路支線，其長度為λ/4。

圖1 經典諧振器（上）折疊諧振器（下）的幾何結構Fig.1 Equivalent transmission line circuit.Classical resonator filter（Top）.Folded resonator filter （Bottom）

新型小型化濾波器結構如圖2所示。由于電流的流經長度和濾波器的諧振頻率直接相關，即在同一個濾波器內，電流的流經長度越長，表示工作波長越長，也就說明濾波器的諧振頻率越低。又由于電流主要是沿著低阻抗線的邊沿流經。因此，想到在折疊多模諧振器的上下兩邊刻蝕凹槽，同時減小諧振器長度，從而在保持諧振頻率不變的情況下，達到減小濾波器尺寸的目的。

圖2 濾波器基本參數Fig.2 Layout of the proposed filter with slot on the edge

2 仿真與測試結果分析

新型折疊多模微帶帶通諧振器設計中，所用的電磁仿真軟件是ANSOFT公司HFSS 11.0，所設計的濾波器的中心頻率為5.2 GHz，基板的介電常數為2.65，基板厚度為1.0 mm，其它參數 （單位：mm） 如圖 2 所示，h=14.8，w=5.8，d=1.2，g=4.0，t=3.2，e=0.2，n=0.4，f=9.0 （文中不做說明時只改變其中一個參數的數值，其他參數保持不變）。

圖3顯示了不開凹槽和開凹槽兩種情況下的頻率響應。 圖中實線是長度h為18.8且邊緣未開凹槽時的頻率響應，虛線是邊槽開槽時的頻率響應。可以清楚地看出，兩種情況下濾波器的中心頻率相同。同時，邊緣開槽的濾波器在通帶右側擁有更加陡峭的衰減極點，這使得濾波器的通帶選擇性更好且3 dB帶寬更寬。

通過對凹槽的尺寸及位置進行優化，在h為14.8 mm的濾波器上得到了與18.8 mm相同的中心頻率，這充分說明邊緣開槽可使濾波器的尺寸更小，且整體性能更優良。圖4比較了諧振器的長度h變化時濾波器的頻率響應。圖中顯示隨著h的增大，濾波器的中心頻率減小，通帶左側衰減極點略微有下降。結合圖3的結果及理論分析，得出邊緣凹槽的引入改變了電流的流經長度，使中心頻率降低。

圖3 有槽及無槽時的頻率響應Fig.3 Frequency response with and without slot on the edge

圖4 諧振器長度變化時的頻率響應Fig.4 Frequency response of different length of resonator

圖5 槽的深度變化時的頻率響應Fig.5 Frequency response of different depth of slot

圖5是凹槽深度g變化時的頻率響應圖。可見，g的增大會使濾波器得中心頻率降低，同時g的變化對衰減極點、通帶內最小插入損耗和最大回波損耗均會產生影響。不僅凹槽尺寸的變化影響濾波器性能，其位置變化也與濾波器性能緊密相關。凹槽位置主要影響最大回波損耗及通帶右側衰減極點。兩槽相隔越遠，最大回波損耗就會越大，通帶右側衰減也越陡峭。器實物如圖6所示，并對此實物使用HP8722ES型矢量網絡分析儀進行S參數測試。圖7是最終的仿真和實測結果，由實測S參數可以看出：在2.55 GHz及7.41 GHz處有兩個衰減極點，分別為-59.33 dB和-26.89 dB；在通帶內有3個傳輸零點，最大傳輸零點達到-25 dB；中心頻率為5.2 GHz。最終得出：實測與仿真結果一致，同時實測左側衰減極點優于仿真。證實了本文所設計濾波器方案的可行性和實際濾波器的實用性。

圖6 小型化濾波器實物圖Fig.6 Photograph of the proposed filter

圖7 小型化濾波器的實測與仿真結果Fig.7 Result comparison of simulation with measurement

3 結 論

基于新型折疊多模諧振器，提出了一種通帶性能優良的小型化貼片微帶帶通濾波器。綜合理論分析與實測結果，所提濾波器有效激勵起了包括多種模式在內的高次模，高次模之間的耦合效果滿足了寬通帶要求。在中心頻率為5.2GHz的通帶內，濾波器的相對帶寬比達到了70%，仿真和實測結果相一致，且符合實際應用要求。另外，新型折疊多模微帶帶通濾波器的尺寸進一步減小了，使其整體長度在折疊多模濾波器的基礎上減小了N8。

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[9]鄧哲，程崇虎，朱洪波.一種多模微帶方形貼片帶通濾波器的設計[J].微波學報，2006，22（6）:55-58.

DENG Zhe，CHENG Chong-hu，ZHU Hong-bo.Design of a multi-mode microstrip square patch bandpassfilter[J].Journal of Microwaves，2006，22（6）:55-58.