基于分支線加載的緊湊微帶雙通帶濾波器設(shè)計(jì)

黃 強(qiáng) 夏祖學(xué) 梁 堯 薛 強(qiáng)

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 四川綿陽 621010)

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展，頻譜資源日益擁擠，快速發(fā)展的多通道通信系統(tǒng)對雙帶通甚至多帶濾波器有了很大的需求［1－2］。平面微帶雙通帶濾波器由于尺寸小、加工容易、成本低、易集成等優(yōu)點(diǎn)，日益成為無線系統(tǒng)通信中廣泛采用的濾波器形式。最近幾年發(fā)展起來的無線局域網(wǎng)(WLAN)系統(tǒng)和固定無線接入(FWA)日漸成為研究熱點(diǎn)。其中，2.4 GHz的通信頻率廣泛應(yīng)用在藍(lán)牙技術(shù)(Bule tooth)、無線局域網(wǎng)(WLAN)、紫蜂(Zigbee)等領(lǐng)域，而3.5 GHz通信頻率則應(yīng)用在固定無線接入(FWA)的頻段。

目前，設(shè)計(jì)微帶雙頻濾波器的方法主要有4種［3］:(1)最簡單和直接的方法是級聯(lián)寬帶帶通與帶阻濾波器，把阻帶插入寬帶而獲得雙通帶濾波器，但是，該方法結(jié)構(gòu)尺寸過大，插損也較大;(2)采用雙模結(jié)構(gòu)，通過在微帶貼片上引入微擾，使一對簡并模式適當(dāng)分離并相互耦合，但雙模結(jié)構(gòu)的濾波器所實(shí)現(xiàn)的帶寬較小，最大也僅達(dá)4%;(3)采用階躍阻抗諧振器(stepped－ impedance resonator，SIR)，常利用該諧振器的諧波特性設(shè)計(jì)雙頻濾波器，但兩個通帶的中心頻率并不獨(dú)立;(4)采用枝節(jié)加載諧振器來設(shè)計(jì)雙頻濾波器［4］。自從2007年香港城市大學(xué)的章秀銀教授設(shè)計(jì)了通帶頻率易控的枝節(jié)加載雙頻濾波器［5］以來，利用支節(jié)線加載諧振器設(shè)計(jì)多頻濾波器變得很受歡迎。近3年來，IEEE數(shù)據(jù)庫檢索的分支加載的雙通濾波器文章31篇，主要研究終端開路或短路枝節(jié)，或開路、短路枝節(jié)結(jié)合，構(gòu)成雙、三通帶以及寬帶濾波器［6－7］，或采用 SIR分支加載的終端開路/短路，以進(jìn)一步減小濾波器尺寸［8－9］;或通過分支加載結(jié)合變?nèi)莨芸瑟?dú)立調(diào)節(jié)中心頻率及兩個通帶的帶寬［9］。通過對以上相關(guān)文章技術(shù)方案對比分析發(fā)現(xiàn)，分支加載雙通濾波器都是基于奇偶模理論，奇模諧振頻率固定不變，偶模諧振頻率只和分支長度相關(guān)。我們也發(fā)現(xiàn)了由于SIR自身的諧振特性，采用SIR結(jié)構(gòu)的分支加載微帶雙通濾波器設(shè)計(jì)的諧振頻率可控性就變得相對困難。

本文提出的微帶雙通濾波器，由于不用增加接地金屬通孔，采用均勻的終端開路枝節(jié)加載，較短路枝節(jié)加載更容易實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)也相對簡單。與文獻(xiàn)［4－5］的帶通濾波器都是基于分支加載的微帶雙通濾波器，而文獻(xiàn)［5］得到的雙頻特性的中心頻率分別為1.83 GHz和2.94 GHz，也沒有具體的應(yīng)用背景，文獻(xiàn)［4］基于開路分支線加載雙模諧振器的微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)，雖然也加工了實(shí)物，但是只是實(shí)現(xiàn)了中心頻率2.45 GHz單頻特性，沒有得到雙通特性。本文設(shè)計(jì)的濾波器實(shí)現(xiàn)了雙頻濾波器，中心頻率分別為2.4 GHz和3.5 GHz，有相應(yīng)的應(yīng)用背景，其中2.4 GHz的通信頻率廣泛應(yīng)用在藍(lán)牙技術(shù)(Bule tooth)、無線局域網(wǎng)(WLAN)、紫蜂(Zigbee)等領(lǐng)域，而3.5 GHz通信頻率則應(yīng)用在固定無線接入(FWA)的頻段。采用了折疊微帶開口環(huán)，分支加載采用了彎折，使得微帶濾波器結(jié)構(gòu)更加緊湊。

1 基于分支線加載諧振器的雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)

現(xiàn)設(shè)計(jì)一個微帶雙帶通濾波器，雙通帶中心頻率分別為2.4 GHz和3.5 GHz，相對帶寬大于5%，第一、二通帶插入損耗分別小于1.5 dB和3 dB。

1.1 2.4GHz微帶環(huán)形帶通濾波器設(shè)計(jì)

本文首先要設(shè)計(jì)的是微帶單通帶濾波器，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。選用相對介電常數(shù)2.65、板厚為1 mm的聚四氟乙烯玻璃布覆銅箔板作為材料。該濾波器主要由折疊的兩個開環(huán)諧振器組成，環(huán)的周長為中心頻率所對應(yīng)導(dǎo)波波長的一半。輸入輸出端口的特性阻抗為 50Ω，對應(yīng)的微帶寬度win=2.7 mm，本文選擇零度饋電的方式，如文獻(xiàn)［5－6］所述。IE3D軟件是一個很好的射頻微波的模擬平臺，仿真效率高，特別適合微帶平面電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)［10］。這里采用IE3D軟件進(jìn)行仿真，其它主要相關(guān)參數(shù)如下:諧振環(huán)線寬w1=1.4 mm，環(huán)間縫隙s1=0.2 mm，開口間距g1=0.4 mm，開口諧振環(huán)的周長為半波長長度43.2 mm，這里對開口環(huán)進(jìn)行了內(nèi)彎折lw=4 mm，減小了濾波器面積，具體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖1 折疊微帶開口環(huán)帶通濾波器的電路結(jié)構(gòu)Fig.1 The circuit structure of the passband filter

圖2 微帶環(huán)形濾波器的仿真S參數(shù)Fig.2 The simulation S parameters of the passband filter

從仿真結(jié)果圖2可以看出，在中心頻率為2.4 GHz處的衰減為0.31 dB，相對帶寬約8%，零度饋電濾波器產(chǎn)生了兩個傳輸零點(diǎn)分別位于2.09 GHz和2.69 GHz處，衰減都大于45 dB，起到了很好的頻率選擇作用。設(shè)計(jì)滿足第一通帶要求。

1.2 分支線加載的雙通帶濾波器設(shè)計(jì)

本文提出的分支線加載諧振器如圖3所示，它由一個折疊型微帶半波長開口諧振環(huán)和一個開路分支線組成。開路分支線加載在微帶線的中點(diǎn)。由于該諧振器是軸對稱的結(jié)構(gòu)，因此可以利用奇偶模來分析其特性。

圖3 分支加載的微帶雙帶通濾波器的電路結(jié)構(gòu)Fig.3 The circuitstructureof thebranch loadingmicrostrip double passband filter

由文獻(xiàn)［5］可以得到奇模諧振頻率為

其中，n=1，2，3，…，c為自由空間中的光速，εeff為介質(zhì)的有效介電常數(shù)。由此可見，奇模諧振頻率不受開路分支線的影響。這里取n=1，fodd=2.4 GHz，可以求得L1=43.2 mm，即前所述的開口諧振環(huán)的半波長長度。

由文獻(xiàn)［5］也可以得到偶模諧振頻率為:

這里feven=3.5 GHz，可以求得開路分支線的長度L1=11 mm，取開路分支線寬度w2與諧振環(huán)線寬w1一致，即w2=1.4 mm，用全波仿真工具IE3D來進(jìn)行驗(yàn)證上述結(jié)果，諧振特性如圖4所示。

圖4 加載不同長度開路枝節(jié)的微帶諧振特性Fig.4 Resonant properties of the SLR with different stub lengths

從圖4可以看到，奇模諧振頻率不隨開路枝節(jié)長度變化，基本保持不變，而偶模諧振頻率隨著開路枝節(jié)L2的變化而變化，當(dāng)開路枝節(jié)的長度L2為11.5 mm時(shí)，第二通帶中心頻率恰好是3.5 GHz。對開路枝節(jié)進(jìn)行彎折，減小了電路尺寸。

最終分支加載的微帶雙通濾波器實(shí)物如圖5所示，實(shí)測結(jié)果和版圖仿真結(jié)果對比如圖6所示。

圖5 微帶雙通濾波器的實(shí)物圖Fig.5 Photograph of themicrostrip DBPF

圖6 微帶雙帶通濾波器的仿真及實(shí)測S參數(shù)比較Fig.6 Simulated and measured S parameters of the DBPF

從圖6可以看到，仿真與實(shí)測的S參數(shù)結(jié)果吻合較好，都實(shí)現(xiàn)了雙帶通特性，實(shí)測的雙帶通濾波器的中心頻率分別是 2.36 GHz，3.58 GHz，相應(yīng)插損分別為1.32 dB ，2.96 dB，相對帶寬分別為6.8%和5.6%。實(shí)測曲線較仿真結(jié)果略差，實(shí)測和仿真的第一通帶的反射系數(shù)都低于－10 dB，實(shí)測的第二通帶的反射系數(shù)為－9 dB，實(shí)測和仿真的第二通帶的S21參數(shù)都隨頻率升高而變差。實(shí)測和仿真結(jié)果都產(chǎn)生了3個傳輸零點(diǎn)分別位于 2.09 GHz，2.69 GHz及4.08 GHz處，衰減都大于40 dB，從而獲得了較好的頻率選擇特性。實(shí)測插損較大的原因可能是導(dǎo)體損耗及網(wǎng)絡(luò)分析儀測量誤差;頻率偏移的原因可能是軟件仿真誤差、制造誤差。總的說來，本文提出的微帶雙通濾波器能夠滿足2.4 GHz無線通信技術(shù)和3.5 GHz通信技術(shù)的帶寬要求。

2 結(jié)論

本文基于IE3D軟件完成了分支線加載諧振器的雙通帶濾波器設(shè)計(jì)的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，制作了實(shí)物。仿真與實(shí)測的中心頻率均為 2.4 GHz，3.5 GHz，相對帶寬大于5%，產(chǎn)生了3個傳輸零點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，本文提出的分支加載的微帶雙帶通濾波器具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)方便、便于加工等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足短距離和WLAN通信的需要。

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