新型雙模方環(huán)微帶帶通濾波器

孫守家,吳 邊,梁昌洪

(西安電子科技大學天線與微波技術(shù)重點實驗室,陜西西安 710071)

新型雙模方環(huán)微帶帶通濾波器

孫守家,吳 邊,梁昌洪

(西安電子科技大學天線與微波技術(shù)重點實驗室,陜西西安 710071)

為了減小諧振器的尺寸,提出了一種新型的雙模方環(huán)諧振器.首先根據(jù)諧振結(jié)構(gòu)的對稱性,利用奇偶模方法分析了該結(jié)構(gòu)的諧振特性.然后加載了一對開路枝節(jié),通過增加它的長度降低諧振頻率,實現(xiàn)諧振器尺寸的小型化.接著,為了改善濾波器的選擇特性,利用源和負載耦合引入了新的傳輸零點.最后,設(shè)計并加工了一款工作于中心頻率為1.95 GHz,3 dB分數(shù)帶寬為37.7%的微帶雙模帶通濾波器.測試與仿真結(jié)果吻合良好.

雙模諧振器;帶通濾波器;源和負載耦合

由于微帶器件的小型化、低成本和易加工,微帶濾波器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中.近年來,雙模諧振器得到了越來越多的關(guān)注.雙模概念是源于具有幾何對稱性的諧振結(jié)構(gòu),在這種結(jié)構(gòu)中同時存在兩種簡并模式,如果在這兩種模式的正交面上引入微擾,就可以使它們分離,以形成通帶響應(yīng).單個微帶雙模諧振器的使用相當于兩個諧振腔的級聯(lián).因此,在設(shè)計濾波器時,使用雙模諧振器可以使諧振器的數(shù)量減少一半,很大程度上實現(xiàn)了濾波器的小型化.到目前為止,在雙模諧振器的研究上已有大量的成果和文獻.

根據(jù)出版的文獻,設(shè)計雙模諧振器主要有3種經(jīng)典的方法:(1)在環(huán)形諧振器上加載貼片或者切口實現(xiàn)兩種簡并模式的耦合,比如圓環(huán)雙模諧振器[1]和方環(huán)雙模諧振器[2].(2)利用具有幾何對稱性的貼片,并且在貼片的對稱面上刻槽或者加載切角,實現(xiàn)兩種簡并模式的耦合[3].(3)在開口環(huán)諧振器的中間加載開路枝節(jié)或者短路枝節(jié),枝節(jié)具有微擾作用,改變它的長度可以控制兩種簡并模式的耦合強度[4-5].這3種方法依然是現(xiàn)代雙模諧振器設(shè)計中常常用到的.文獻[2]中的雙模方環(huán)諧振器的周長是全波長的,為了能夠減小諧振器的尺寸,筆者設(shè)計了一種新型的雙模方環(huán)諧振器,使該環(huán)的任一角位置接地,并且在該角的對角位置加載短路枝節(jié),短路枝節(jié)具有微擾作用,改變它的長度可以控制諧振器中兩種簡并模式的耦合強度.同時,在另外兩個角位置加載一對相同的開路枝節(jié),增加它們的長度可以降低諧振頻率,實現(xiàn)諧振器尺寸的小型化.利用該新型雙模諧振器設(shè)計濾波器時,通過源和負載耦合引入了新的傳輸零點,改善了通帶選擇特性.

1 新型方環(huán)雙模諧振器及其諧振特性分析

筆者提出的新型方環(huán)雙模諧振器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示.方環(huán)的邊長為L,特性導(dǎo)納為Y,頂點P1接地,頂點P3處加載長度為L1、特性導(dǎo)納為Y1的短路枝節(jié).諧振器結(jié)構(gòu)關(guān)于圖中所示曲線對稱,利用奇偶模方法對其諧振特性進行分析.

圖1 方環(huán)雙模諧振器結(jié)構(gòu)及其等效電路

1.1 奇模等效分析

饋電1和饋電2分別輸入等幅反向的信號,對稱線處的電壓為零,等效為理想電壁(虛擬短路),此時加載的短路枝節(jié)是不存在的,奇模等效電路如圖1(b)所示.從饋電點看進去的奇模輸入導(dǎo)納為

根據(jù)諧振條件Im(Yin,o)=0,可以得到

其中,c代表自由空間的光速,εe代表微帶介質(zhì)基板的有效介電常數(shù).k=1時,諧振器的尺寸最小.從圖1(a)和(b)中可以看出,當饋電位置不同于P1和P3時,奇模諧振頻率和饋電位置無關(guān),只和方環(huán)諧振器的邊長有關(guān),并且諧振器的周長在奇模諧振頻率下是全波長的.

1.2 偶模等效分析

饋電1和饋電2分別輸入等幅同向的信號,對稱線處的電流為零,等效為理想磁壁(虛擬開路),此時加載的短路枝節(jié)沿著對稱線被等分,偶模等效電路如圖1(c)所示.從饋電點看進去的偶模輸入導(dǎo)納為

根據(jù)諧振條件Im(Yin,e)=0,解方程可以得到

由式(5)可以看出,當方環(huán)諧振器的邊長L和特性導(dǎo)納Y確定之后,偶模諧振只和短路枝節(jié)的參數(shù)有關(guān).在短路枝節(jié)的特性導(dǎo)納給定之后,通過改變短路枝節(jié)的長度,可以決定兩種簡并模式的分離程度,進而可以控制通帶響應(yīng)的帶寬.然而枝節(jié)的長度并不是任意的,當L1＞代表偶模諧振波長)時,通過式(5)可以推出偶模諧振的一次諧波頻率小于奇模諧振頻率,這時諧振器的雙模特性遭到破壞.因此,給定約束條件為

圖2 不同短路枝節(jié)長度下的傳輸響應(yīng)的變化

把式(6)代入到式(5),可推出偶模諧振頻率的變化范圍為

圖2給出了在弱耦合下仿真得到的奇偶模諧振頻率隨短路枝節(jié)長度L1變化的曲線,其參數(shù)為εe=2.65,L=21 mm,Y=Y1.文中所有的仿真都是在電磁仿真商業(yè)軟件IE3D中完成的.由圖2可以清晰地看到,當枝節(jié)長度由1.3 mm增加到5.5 mm時,偶模諧振頻率由2.49 GHz降低到2.15 GHz,而奇模諧振頻率維持在2.64 GHz不變.這個例子和前面的理論分析是一致的,并且不會失去問題的一般性.

2 開路枝節(jié)加載以及雙模帶通濾波器的設(shè)計

由前面的分析可得,此諧振器的周長在奇模諧振頻率下是全波長的,這和文獻[2]中的諧振器相比,尺寸是相同的.為了能夠減小諧振器的尺寸,降低諧振頻率,在方環(huán)的另外兩個頂點位置P2和P4處加載了一對相同的開路枝節(jié),長度為L2,特性導(dǎo)納為Y2.

圖3 雙模帶通濾波器的結(jié)構(gòu)圖

利用改進后的諧振器設(shè)計的帶通濾波器如圖3所示,包含了1個加載開路枝節(jié)的雙模方環(huán)諧振器,1對端口阻抗為50Ω的輸入輸出饋線,接地用直徑為1 mm的金屬過孔實現(xiàn).為了介紹引入開路枝節(jié)的作用,圖4給出了開路枝節(jié)在不同長度下通帶頻率的變化,隨著開路枝節(jié)長度的增加,通帶中心頻率降低了.圖4中,枝節(jié)長度由0增加到10.3 mm,通帶的中心頻率由2.36 GHz下降到1.94 GHz,使諧振器尺寸減小了18.8%,實現(xiàn)了濾波器的小型化.然而,從圖4中發(fā)現(xiàn),濾波器的通帶選擇性和帶外性能并不好,為了解決這個問題,引入了源和負載耦合,并且通過在饋線末端加載耦合線的方法增強源和負載耦合的強度.圖5給出了濾波器在不同源和負載耦合強度下的頻率響應(yīng)變化以及傳輸響應(yīng)的局部放大圖.從圖5中可以看出,當饋線末端距離很小時,源和負載耦合產(chǎn)生,不僅引入了一個新的傳輸零點,改善了通帶選擇性,而且大大提高了帶內(nèi)平坦度.當耦合線長度增加時,增強了源和負載耦合強度,零點更加接近通帶,大大改善了濾波器的選擇性.

圖4 不同的開路枝節(jié)長度下的傳輸響應(yīng)

圖5 不同源和負載耦合強度下的頻率響應(yīng)

為了驗證上面的分析,設(shè)計了一款工作于中心頻率為1.94 GHz,帶寬為530 MHz,回波損耗為18 dB的帶通濾波器.用IE3D對濾波器進行仿真優(yōu)化,得到的最終尺寸為:L′=13.0 mm,L″=6.8 mm,L1=7.6 mm,L2=10.3 mm,L3=27.5 mm,L4=7.8 mm,W1=1.0 mm,W2=0.2 mm,g1=0.1 mm,g2=0.2 mm,d=0.4 mm.諧振器尺寸為0.21λg×0.21λg,λg為波導(dǎo)波長,比文獻[2]中的諧振器尺寸減小了39.5%.加工后的濾波器實物如圖6(a)所示,采用Agilent 8719ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測量.圖6(b)給出了仿真結(jié)果和測量結(jié)果,兩者吻合良好.測量結(jié)果中,中心頻率為1.95 GHz,3 dB分數(shù)帶寬為37.7%,包括同軸射頻接頭損耗在內(nèi)的最小插入損耗為0.52 dB,帶內(nèi)的反射損耗大于20 dB,兩個傳輸零點位于0.87 GHz和3.24 GHz.由于饋線自身的諧波抑制特性[6],高于20 dB抑制的頻帶截止到4.9 GHz,約為中心頻率的2.5倍.

圖6 濾波器加工實物圖以及仿真結(jié)果和測試結(jié)果對比

3 結(jié)束語

提出了一種新型的雙模方環(huán)諧振器,對該結(jié)構(gòu)的諧振特性進行了分析.短路枝節(jié)起到微擾作用,用來控制兩個模式頻率的耦合強度;開路枝節(jié)的加載能夠降低諧振頻率,實現(xiàn)諧振器的小型化.利用該諧振器設(shè)計了一款帶通濾波器,引入了源和負載耦合,產(chǎn)生了新的傳輸零點,大大改善了濾波器的通道選擇特性.仿真和實驗結(jié)果說明了該款濾波器的優(yōu)良性能,可以廣泛應(yīng)用于各種射頻電路中.

[1]Luo S,Zhu L,Sun S.Compact Dual-mode Triple-band Bandpass Filters Using Three Pairs of Degenerate Modes in a Ring Resonator[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology,2011,59(5):1222-1229.

[2]Hong J S,Lancaster M J.Bandpass Characteristics of New Dual-mode Microstrip Square Loop Resonators[J]. Electronics Letters,1995,31(11):891-892.

[3]Sung Y.Dual-mode Dual-band Filter with Band Notch Structures[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2010,20(2):73-75.

[4]Athukorala L,Budimir D.Design of Compact Dual-mode Microstrip Filters[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2010,58(11):2888-2895.

[5]Hong J S,Shaman H,Chun Y H.Dual-mode Microstrip Open-loop Resonator and Filters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology,2007,55(8):1764-1770.

[6]Kuo J T,Chen S P,Jiang M.Parallel-coupled Microstrip Filters with Over-coupled End Stages for Suppression of Spurious Responses[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2003,13(10):440-442.

(編輯:齊淑娟)

Novel dual-mode square loop microstrip bandpass filter

SUN Shoujia,WU Bian,LIANG Changhong
(Science and Technology on Antenna and Microwave Lab.,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

This paper presents a novel dual-mode square loop resonator with a compact size.Firstly,the odd-even-mode method is utilized to analyze the resonant property of the proposed resonator since its structure is symmetrical,and the passband center frequency can be easily tuned by changing the lengths of a pair of loaded open-ended stubs.Secondly,source-load coupling is introduced to produce a new transmission zero and improve the passband selectivity.Finally,a microstrip dual-mode bandpass filter(BPF)centering at 1.95 GHz with a 3 dB fractional bandwidth(FBW)of 37.7%is designed and fabricated.The measured and simulated results in good agreement are presented.

dual-mode resonator;bandpass filter;source-load coupling

TN713+.5

A

1001-2400(2014)01-0053-04

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.01.010

2012-10-20 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間:

時間:2013-09-16

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2012AA01A308);國家自然科學基金資助項目(60901031,61271017)

孫守家(1987-),男,西安電子科技大學博士研究生,E-mail:sunshoujia@gamil.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20130916.0926.201401.68_006.html