基于開口諧振環的濾波器設計

摘 要：文章在多層液態高分子聚合物（LCP）基板上設計了兩款基于開口諧振環的帶通濾波器。開口諧振器分布在頂層和底層，中間的金屬層作為公共的地板層，同時起著隔離上下層間耦合的作用。實測結果表明濾波器的中心頻率為5.2GHz，通帶內的實測插入損耗為1.76dB。

關鍵詞：微帶濾波器；HFSS；開口諧振環

引言

作為無線通信系統中的關鍵器件，濾波器對系統整體性能有著直接影響。面對當前無線通信系統的高性能和小型化的發展趨勢，現有濾波器的設計在滿足高選擇性和小尺寸要求時面臨嚴峻的挑戰。階梯阻抗諧振器（SIRS），多模諧振器（MMR）和介質諧振器通常應用于小型化微帶濾波器的設計。多層LCP技術已被證明是適用于低成本的多層微帶帶通濾波器的設計。LCP是一個相當新的和有前途的有機材料的微波應用。作為一種有機材料，LCP具有靜態介電常數在很寬的頻率范圍內，吸水率低等特性[1]。

1 濾波器的設計方法

單層微帶開環濾波器的設計方法是從傳遞函數中得到一個耦合矩陣從而得到開環諧振器耦合的耦合矩陣[2]。例如，設計一個使用四個開環諧振器的濾波器，首先從濾波器參數的基礎上推導出耦合矩陣，該濾波器工作在5.2GHz，相對帶寬7.5%，則耦合矩陣可以計算出如下：

然后，我們可以得到的初始尺寸參數的基礎上的耦合矩陣。

2 濾波器的設計

圖1為四腔的單波段濾波器三維結構和布局，輸入和輸出端口的特性阻抗為50Ω，開環諧振器分別設計在第一層和第三層，第二層作為共同的接地平面，兩層諧振器間的耦合通過中間金屬層上開耦合孔的方法來實現。該多層微帶開口諧振環濾波器是在Ansoft HFSS上設計和進行參數的優化的。如諧振器長度，饋線饋點的位置，通過計算仿真給出了單波段濾波器的優化尺寸參數：w=0.62mm，a=0.8mm，b=0.8mm，c=0.7mm，d=0.7mm，ta=0.45mm，tb=0.45mm，s1=0.32mm，s2=0.24mm，la=5mm，l1=5.62mm，l2=5.62mm，lb=5mm，l3=5.62mm，l4=5.62mm，g1=0.7mm，g2=0.7mm，g3=0.7mm，g4=0.7mm。

3 仿真和測試結果

該濾波器是器在具有2.9的介電常數和0.0025損耗角正切的LCP基板制作的，基板厚度為0.25mm（H）。該濾波器的尺寸約為21mm×17mm×0.5mm。

該濾器是采用安捷倫e8368b與安立3680-20測量。

該濾波器測得的3 dB的帶寬是從4.97GHz～5.24 GHz，插入損耗約1.75db略高于仿真1dB。此損失主要是由于輸入/輸出饋線，電介質，導體的輻射損耗。兩個傳輸零點的位置在分別4.91GHz和5.3GHz具有良好的選擇性。

4 結束語

在文章中，使用多層微帶開環諧振器帶通濾波器的設計。微帶開環諧振器設計的小型化性能和靈活的耦合模式，通過引入傳輸零點以提高選擇性。多層LCP層壓工藝是用于實現設計的原型和測試結果來驗證預測結果。該緊湊型帶通濾波器具有良好的性能，包括良好的選擇性和鋒利的阻帶抑制，使其適合應用在小型化的無線通信系統。

參考文獻

[1]J. P.， Wang， J. L.， Li， J. Ni， S. S.， Zhao， W.， Wu and D. G.， Fang， “Design of miniaturized microstrip dual-mode filter with source-load coupling，” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett.， vol. 20， no. 6， pp. 319-321， June 2010.

[2]J. S.， Hong， and M. J.， Lancaster， “Couplings of microstrip square open-loop resonators for cross-coupled planar microwave filters，” IEEE Trans. Microw. Theory Tech.， vol. 44， no. 11， pp. 2099-2109， Nov. 1996.

[3]清華大學《微帶電路》編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社.

[4]程曉輝.交叉耦合濾波器的研究[D].西安電子科技大學，2006.

[5]甘本祓，吳萬春.現代微波濾波器的結構與設計[M].科學出版社，1973.