新型三階SIR高阻帶抑制雙通帶濾波器

姜逸飛,孟令琴,楊廣立

(1．上海大學特種光纖與光接入網省部共建重點實驗室,上海 200072; 2.東南大學毫米波國家重點實驗室,南京 210096)

新型三階SIR高阻帶抑制雙通帶濾波器

姜逸飛1,2,孟令琴1,2,楊廣立1

(1．上海大學特種光纖與光接入網省部共建重點實驗室,上海 200072; 2.東南大學毫米波國家重點實驗室,南京 210096)

采用三階信噪比(signal to interference ratio,SIR)干擾諧振器作為基本諧振單元,通過調整阻抗比控制主頻和第一雜散頻率的位置,設計了一種新型高阻帶抑制雙通帶濾波器.濾波器第一通帶由主諧振頻率產生,第二通帶由第一雜散頻率產生.運用三角耦合結構作為該濾波器的拓撲結構,使得整體濾波器呈現出帶外傳輸零點和阻帶的高抑制度.使用交指型耦合結構實現輸入/輸出端的強耦合,得到較高的外部品質因數.該濾波器的兩個通帶中心頻率分別為1.57 GHz(GPS)和2.5 GHz(4G),3 dB帶寬分別為4.0%和2.4%.結果表明,測量結果和仿真結果基本吻合.

三階SIR諧振器;三角耦合結構;高抑制度;傳輸零點

隨著現代無線通信系統的發展,尤其是多頻通信系統的崛起,頻譜資源日益緊張,電磁干擾情況日益嚴重.這一系列問題的產生使得在通信系統中起著頻率選擇、抑制干擾作用的多頻濾波器引起了學者的廣泛重視.微波濾波器以其低成本、輕重量和易加工等優點,越來越多地被應用于無線通信系統中.近年來,多種無線通信協議得到發展,隨之而來的是多頻系統成為研究熱點,其中微帶雙頻濾波器受到越來越多的關注[1-5].雙頻濾波器的設計方法有很多種,比較常見的有單通帶濾波器組合法產生雙通帶響應[1]、雙/多模諧振法[2-4]及雙通帶傳輸函數法[5]等.Miyake等[1]通過將兩個單通帶濾波器并聯實現雙通帶的濾波器特性,這種結構的缺點是物理體積大、帶內損耗大;Zhang等[2]介紹了方形諧振器的簡并模分裂法構成的雙通帶濾波器,這種結構的劣勢在于物理結構復雜,加工難度大;Liu等[3]和Chen等[4]描述了階躍阻抗諧振器構成的雙通帶濾波器,但其雜散頻率影響大、通帶間抑制度不理想.

本工作基于傳統的三階信噪比(signal to interference ratio,SIR)干擾諧振器,提出了一種新型高阻帶抑制三階SIR濾波器.該濾波器分別通過調整兩組阻抗比,使主頻和第一雜散頻率出現在需要的工作頻段,同時使第二雜散頻率遠離工作頻段;另外,通過引入三角形拓撲結構,使兩個通帶的上、下阻帶各自出現一個傳輸零點,同時實現通帶間的高隔離度,最終設計濾波器分別工作于1.57 GHz(GPS)和2.5 GHz(4G)2個頻段;最后,對濾波器進行加工和測量,并對其性能進行了分析.

1 設計理論

1.1 三階SIR諧振器

1.1.1 三階SIR的諧振特性

圖1為三階SIR諧振器的基本結構,如果忽略諧振器結構的階躍不連續性和邊緣電容效應影響,則諧振器端口的輸入導納[6]為

圖1 三階SIR諧振器Fig.1 Tri-section SIR resonator

由式(4)可得該諧振器的多個諧振頻點及各個頻點對應的電長度.設主頻為f0,第一雜散頻率為f1,第二雜散頻率為f2,其對應的電長度分別為θ0,θ1,θ2,則

三階階躍阻抗諧振器總電長度為

由式(5)～(7)可得第一雜散頻率與主頻及第二雜散頻率與主頻的比值分別為

式(9)和(10)為三階SIR諧振器的主要設計公式.可以運用式(9),通過調整兩組阻抗比和電長度θ0將主頻和第一雜散頻率設置在需要的兩個工作頻點;同時運用式(10),通過調節兩組阻抗比使得第二雜散頻率遠離第二個工作頻段,從而保證第二通帶的選頻特性.

1.1.2 三階SIR的諧振點控制

基于上述理論部分的討論,在設計濾波器時可以通過如下方式來控制諧振頻率的設置: (1)將三階階躍阻抗的電長度統一設置為θ,滿足主頻f0的諧振位置;

(2)在滿足第二雜散頻率f2遠離第一諧振頻率f1的動態范圍內變化阻抗比;

(3)根據所需的第一雜散頻率f1的位置變化阻抗比K1,K2.

圖2為不同阻抗比所對應f1的變化趨勢.圖中,隨著K1逐漸變大、K2逐漸變大,保持主頻f0不變的同時,使得第一雜散頻率f1逐步上升.

1.2 耦合拓撲結構

已有的三階SIR諧振器通常只是將兩個諧振節點串聯或者并聯[7-10],這種簡單的組合形式無法實現較好的選頻特性,即傳輸零點的產生以及通帶間的良好抑制度.為了產生傳輸零點和通帶間高抑制度,本工作率先將三角形拓撲結構引入三階SIR濾波器.圖3為三角形拓撲結構,該結構由3個諧振節點構成,其主通路為第一諧振器到第二諧振器再到第三諧振器,另外第一和第三諧振器之間存在副通路.根據文獻[11],當主通路為電耦合,同時副通路為磁耦合時,在主頻諧振點的左側將形成一個傳輸零點;與此同時,第一雜散頻率也將在通帶右側產生一個傳輸零點.

圖2 三階SIR諧振器頻點分布Fig.2 Frequency of tri-section SIR resonator

圖3 三角形拓撲結構Fig.3 Tri-section topology structure

1.3 三階SIR濾波器的強耦合結構

如果要獲得較好的濾波性能,就需要實現足夠小的帶內插損.根據文獻[12],如圖4所示的交趾耦合結構能夠實現輸入/輸出端口的強耦合,這種強耦合可以大大提高濾波器的外部品質因數,從而改善濾波器的帶內插損.

圖4 交趾耦合結構Fig.4 Interdigital fnger coupling structure

2 濾波器設計

2.1 拓撲結構分析

為了設計符合上述拓撲結構的濾波器,本工作在圖1的基礎上將基本諧振單元進行彎折.通過三維電磁仿真得到如圖5和6的電磁場分布.從圖中可知,當發生諧振時諧振器兩臂為強電場,中間為強磁場.當滿足一定的物理結構時,可以實現前文介紹的三角形拓撲結構.

2.2 濾波器設計結構

圖7為本工作提出的三階SIR高阻帶抑制雙通帶濾波器,其中3個三階SIR諧振器為基本諧振單元.為了實現高阻帶抑制,需將諧振單元進行彎折后,滿足三角形拓撲結構.通過調整3個諧振單元的耦合距離和耦合尺寸使得在濾波器的第一通帶左側和第二通帶右側分別產生一個傳輸零點,這兩個傳輸零點的產生大大提高了所設計濾波器的選頻特性.另外,由于3個諧振節點的交叉耦合,使得兩個通帶間的抑制度非常高.

圖5 電場分布Fig.5 Plot of electric feld

圖6 磁場分布Fig.6 Plot of magnetic feld

圖7 三階SIR濾波器Fig.7 Tri-section SIR flter

所設計濾波器指標如下:第一通帶中心頻率為1.57 GHz,相對帶寬為4.0%,帶內回波損耗大于15 dB,傳輸零點位于1.52 GHz;第二通帶中心頻率為2.5 GHz,相對帶寬為2.4%,帶內回波損耗大于15 dB,傳輸零點位于2.7 GHz.兩通帶間的回波損耗大于38 dB,實現了阻帶的高抑制度,較好地隔離了2個通帶間的干擾.濾波器最終的設計尺寸如表1所示.

3 加工與測試

根據濾波器的仿真模型,利用標準印刷電路板工藝對濾波器進行加工.加工所用基板材料為Rogers5880,厚度為0.787 mm,介電常數為2.2,濾波器實物如圖8所示.通過Keysight N5071C網絡分析儀的測量,可得到濾波器的仿真與測量結果(見圖9).

表1 濾波器結構尺寸Table 1 Dimensions of the proposed fltermm

圖8 濾波器實物圖Fig.8 Photograph of the proposed flter

圖9 濾波器頻響特性仿真與測試結果Fig.9 Simulated and measured results of frequency responses of the proposed flter

由圖9可以看出,濾波器的實測結果與仿真結果的吻合度較高,驗證了本設計的有效性.實測濾波器的兩個通帶內的最大插損為1.9 dB,帶內回波損耗皆大于13 dB.第一通帶左側出現一個傳輸零點,第二通帶右側出現一個傳輸零點.兩個通帶之間的抑制度較好,回波損耗實測大于40 dB.第二通帶右側的阻帶性能也較好,3.5 GHz處回波損耗仍大于20 dB.但實測結果中第一通帶帶寬比仿真結果有所減小,左側傳輸零點向通帶靠近,造成這種現象的主要原因是由于加工誤差、基板的不均勻性和SMA(sub miniature A)接頭的焊接損耗.總之,本設計仍然實現了高阻帶抑制度的性能.

4 結束語

本工作研究了由三階SIR諧振器構成的三角形拓撲結構的阻帶抑制性能,并在此基礎上引入強耦合結構設計了新型高阻帶抑制的雙通帶濾波器.測試與仿真結果表明,所設計濾波器的帶間抑制達到?40 dB,高頻段的20 dB阻帶頻率達到了3.5 GHz以上,第二雜散頻率遠離主通帶和第二通帶.相比較于傳統的SIR或三階SIR諧振器,本設計的阻帶抑制度明顯提高,帶間的抑制度得到明顯改善;同時保留了微帶濾波器的低成本、易加工、高性能的優點,能夠廣泛適用于微波電路與系統.

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A novel tri-section SIR dual-band flter with high stopband rejection

JIANG Yifei1,2,MENG Lingqin1,2,YANG Guangli1
(1.Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks,Shanghai University,
Shanghai 200072,China;
2.State Key Laboratory of Millimeter Waves,Southeast University,Nanjing 210096,China)

A dual-band flter with high stopband rejection is designed using a tri-section signal to interference ratio(SIR)resonator.The center frequencies and frst spurious frequencies of resonators can be controlled independently to design aspecifc dual-band flter.The tri-section coupling structure is aimed at transmission zeros and high stopbands rejection.To get a high external quality factor,an inter-digital fnger coupling structure is introduced.The flter has dual passband center frequencies of 1.57 GHz(GPS)and 2.5 GHz(4G),with 3 dB fractional bandwidths of 4.0%and 2.4%,respectively.Measured results well agree with simulations.

tri-section signal to interference ratio(SIR)resonator;tri-section coupling structure;high stopband rejection;transmission zero

TN 713

A

1007-2861(2017)01-0147-08

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.019

2015-02-03

上海市科委重點實驗室資助項目(08DZ2231100);上海市重點學科建設資助項目(S30108);毫米波國家重點實驗室開放課題經費資助項目(K201324)

孟令琴(1965—),女,副教授,博士,研究方向為微波及毫米波新技術.E-mail:menglq@shu.edu.cn