支節(jié)加載雙模帶通濾波器設(shè)計(jì)

劉新紅

(北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京100015)

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支節(jié)加載雙模帶通濾波器設(shè)計(jì)

劉新紅

(北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京100015)

摘要階梯阻抗諧振器高低阻抗微帶線直線連接，實(shí)現(xiàn)輸入輸出強(qiáng)耦合需要減小和方形環(huán)雙模諧振器之間的耦合距離，距離過小會造成實(shí)物加工困難。為此，提出了高低阻抗微帶線垂直連接且在連接處輸入輸出的方式，使高低阻抗微帶線都能與方形環(huán)諧振器耦合，且輸入和輸出也能耦合，加大了階梯阻抗諧振器和方形環(huán)諧振器的耦合以及輸入和輸出的直接耦合。仿真結(jié)果表明，該方法在提高濾波器性能的同時減小了電路尺寸。

關(guān)鍵詞雙模帶通濾波器；方形環(huán)諧振器；支節(jié)加載；階梯阻抗諧振器

Dual-mode Bandpass Filter Using Stub-Loaded Resonator

LIU Xin-hong

(BeijingInformationTechnologyCollege,Beijing100015,China)

AbstractHigh and low impedance microstrip lines of stepped impedance resonator are connected,and the input and output strong couplings need to reduce the coupling distance to square ring dual-mode resonator,but the circuit board production is difficult if the distance is too short.It is proposed that high and low impedance microstrip lines are connected vertically and the input and output are at the connection,so that the high and low impedance microstrip lines can couple with the square ring resonator,and the input and output can also be coupled.The coupling between stepped impedance resonator and square ring resonator and direct coupling between input and output both are enhanced.The simulation results show that the circuit size is reduced while the performance of filter is improved.

Key wordsdual-mode bandpass filter;square ring resonator;stub load;stepped impedance resonator

0引言

雙模微帶濾波器通過在諧振器中增加微擾的方式激勵起2個簡并模，用一個諧振器實(shí)現(xiàn)2個諧振器的功能，在減少濾波器尺寸的同時，降低損耗，并且由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低和容易設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信和無線通信中[1-3]。

方形環(huán)諧振器容易實(shí)現(xiàn)級聯(lián)耦合，并且方形環(huán)諧振器是閉合式的，其輻射損耗比半開環(huán)諧振器小。采用在方形環(huán)諧振器中心加載開路支節(jié)的微擾方式，能夠在保持奇模頻率不變的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)開路支節(jié)的尺寸來調(diào)節(jié)偶模頻率，帶寬調(diào)節(jié)更加方便[4,5]。濾波器輸入/輸出與諧振器之間采用間隙耦合的饋電方式[6]，很難實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合，通常濾波器的相對帶寬都較窄。采用階梯阻抗微帶線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輸入/輸出與雙模諧振器之間的強(qiáng)耦合[7,8]，可實(shí)現(xiàn)較大帶寬的濾波器。濾波器在通帶上下兩側(cè)各具有一個傳輸零點(diǎn)，具有準(zhǔn)橢圓函數(shù)響應(yīng)[8]。

文獻(xiàn)[8]中采用階梯阻抗微帶線高低阻抗線直線連接的形式，且和雙模方形環(huán)諧振器的耦合間距為0.15 mm。高阻抗線和方形環(huán)同寬，這些方面存在電路尺寸大、采用減小耦合間距的方法增強(qiáng)耦合強(qiáng)度，使得實(shí)物制作因間距過小(一般標(biāo)準(zhǔn)為不小于0.2 mm)而難以實(shí)現(xiàn)的問題。針對上述問題，在保證加工時易于實(shí)現(xiàn)，最小尺寸取0.2 mm前提下，采用減小階梯阻抗微帶線耦合部分高阻抗線線寬至0.2 mm，將高阻抗微帶線和低阻抗線垂直連接，增大階梯阻抗線和方形環(huán)諧振器的耦合及輸入和輸出的直接耦合，從而整體上增加耦合強(qiáng)度，最終達(dá)到了增強(qiáng)帶通濾波器性能和減小電路尺寸的目的。

1諧振器分析

1.1方形環(huán)雙模諧振器分析

支節(jié)加載方形環(huán)雙模諧振器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于諧振器結(jié)構(gòu)是關(guān)于TT′對稱的，可以用奇偶模法分析[9]。

圖1　支節(jié)加載方形環(huán)雙模諧振器結(jié)構(gòu)

諧振器的奇偶模等效電路如圖2所示。奇模激勵時TT′短路，偶模激勵時TT′斷路。

圖2　支節(jié)加載方形環(huán)雙模諧振器奇偶模等效電路

在奇模等效電路中，輸入導(dǎo)納YO為：

(1)

諧振時，YO=0，于是

tanθ1+tanθ2=0。

(2)

令θo=θ1+θ2，則

θo=π。

(3)

在偶模等效電路中，輸入導(dǎo)納Ye為：

Ye=jY0(tan(θ1+θ3)+tanθ2)。

(4)

諧振時，Ye=0，于是

tan(θ1+θ3)+tanθ2=0。

(5)

令θe=θ1+θ2+θ3，則

θe=π。

(6)

1.2階梯阻抗諧振器分析

階梯阻抗諧振器如圖3所示。本諧振器將一般的階梯阻抗諧振器的低阻抗微帶線進(jìn)行了90°旋轉(zhuǎn)。輸入(輸出)從高低阻抗線交接點(diǎn)處引出。

圖3　階梯阻抗諧振器

輸入導(dǎo)納Y為：

Y=j(Y1tanθ1+Y2tanθ2)。

(7)

諧振時Y=0，則

Y1tanθ1+Y2tanθ2=0。

(8)

2支節(jié)加載雙模帶通濾波器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)帶通濾波器中心頻率3.97 GHz，3 dB通帶為3.74～5.2 GHz，通帶內(nèi)反射系數(shù)與帶外抑制均大于20 dB。

介質(zhì)材料為Rogers5880，相對介電常數(shù)為2.2，厚度為0.254 mm，微帶線導(dǎo)體的電導(dǎo)率3.8×107，導(dǎo)體厚度0.018 mm，損耗角正切9.000×10-4。

所設(shè)計(jì)支節(jié)加載方形環(huán)雙模帶通濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　支節(jié)加載方形環(huán)雙模帶通濾波器結(jié)構(gòu)

2.1參數(shù)確定

首先根據(jù)前面推導(dǎo)出的公式并利用ADS軟件的微帶線計(jì)算工具計(jì)算各個部分的初始尺寸。

根據(jù)式(3)和式(6)，奇偶模諧振電長度都是θ=180°，奇模微帶線長度小，偶模大(比奇模多了支節(jié)長)，對應(yīng)半波長，故奇模頻率比偶模頻率高。

方形環(huán)阻抗選Z=50Ω，奇模頻率選f=5.2GHz，電長度θ=180°，得微帶線線寬W=0.76mm，奇模微帶線長度Lo=21.11mm。

偶模頻率選f=4.75GHz電長度θ=180°，得偶模微帶線長度Le=23.11mm。

由此可得方形環(huán)邊長L1=10.56mm，寬度W1=0.76mm，支節(jié)寬度Wb=1.52mm，長度d=2mm。

對于階梯阻抗，頻率選f=5GHz，高阻抗微帶線長選L3=13mm，寬度選W3=0.2mm，得阻抗Z3=100.85Ω，電長度θ3=103°，低阻抗微帶線長度選L2=5.6mm，得電長度θ2=46.33°，由式(8)計(jì)算得Z2=10.23Ω，由此得W2=2.03mm。高阻抗線和方形環(huán)的耦合間距S1=0.2mm

輸入輸出阻抗Z0=50Ω，長度L0=2.5mm。

2.2設(shè)計(jì)仿真與優(yōu)化

利用HFSS軟件按照確定的參數(shù)初值建立模型，仿真結(jié)果不符合要求，需要優(yōu)化各部分的尺寸，以使帶通濾波器的帶寬、中心頻率、帶內(nèi)衰減S21和端口反射系數(shù)S11等符合要求。

L1影響帶通濾波器通帶的上限、下限頻率，增大會使2個頻率都減小。支節(jié)長度d會影響下限頻率，增大會使下限頻率下降。階梯阻抗諧振器影響中心頻率，固定高阻抗微帶線寬度W3=0.2mm，在高阻抗微帶線長L3=13mm，低阻抗微帶線長度L2=5.6mm，寬度W2=2.03mm初值基礎(chǔ)上調(diào)整確定中心頻率。

優(yōu)化后的頻率響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5　支節(jié)加載雙模方形環(huán)帶通濾波器頻率響應(yīng)

優(yōu)化后的帶通濾波器的3 dB通帶為3.74～5.2 GHz(相對帶寬9.26%)，中心頻率4.97 GHz處的衰減1 dB，通帶內(nèi)反射系數(shù)與帶外抑制均大于20 dB。2個傳輸零點(diǎn)分別位于3.85 GHz和5.32 GHz，分別衰減67 dB和31 dB，有效地控制了帶外衰減。文獻(xiàn)[8]中4.97 GHz處的衰減1.33 dB。2個傳輸零點(diǎn)分別位于3.74 GHz和5.32 GHz。

優(yōu)化后的尺寸，方形環(huán)邊長L1=11.7mm，寬度W1=0.76mm，支節(jié)寬度Wb=1.52mm，長度d=1.5mm，階梯阻抗高阻抗線長度L3=13.05mm，寬度W3=0.2mm，低阻抗線長度L2=5.9mm，寬度W2=1mm。

文獻(xiàn)[8]電路尺寸為20.83mm×18.14mm，本設(shè)計(jì)電路尺寸為17.5mm×14.81mm。長度和寬度都減小了3mm多。

由于將階梯阻抗諧振器的低阻抗微帶線和高阻抗微帶線成90°連接，加強(qiáng)了輸入、輸出耦合，并且通過減小高阻抗線的寬度，也加強(qiáng)了耦合，從而使間距S1由文獻(xiàn)[8]中的0.15mm增大到0.2mm，從而減小了實(shí)物加工制作的難度，2個零點(diǎn)更加靠近，提升了帶外抑制性能。中心頻率處衰減減小，提升了傳輸特性。明顯減小了電路尺寸。

3結(jié)束語

為了使濾波器實(shí)物加工制作易于實(shí)現(xiàn)，所有電路各組成部分尺寸不小于0.2 mm，在此情況下，為了增加各部分的耦合強(qiáng)度，以使濾波器通帶衰減盡可能小，將階梯阻抗的高阻抗線用最小0.2 mm線寬，和0.2 mm耦合間距，將低阻抗線和高阻抗線成90°連接而非直線連接，一方面階梯阻抗線和方形環(huán)諧振器的耦合增強(qiáng)，也直接增強(qiáng)了輸入和輸出的耦合，從而使帶內(nèi)衰減減小，帶外抑制性能提高。電路尺寸明顯減小。

參考文獻(xiàn)

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劉新紅女，(1971—)，碩士，講師。主要研究方向：通信電路與系統(tǒng)。

作者簡介

收稿日期：2015-12-21

中圖分類號TN713.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-0062-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.17

引用格式：劉新紅.支節(jié)加載雙模帶通濾波器設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2016,46(3):62-64.