一種小型化射頻識別帶通濾波器

邱瞳勛　胡明哲

摘 要：物聯網作為國家五大戰略性新興產業，其產業發展將使得人類對信號/信息獲取、傳輸、處理和控制決策的能力得到巨大提升[1]。射頻識別（RFID）技術作為物聯網的核心技術，在物流網中發揮著重要作用。而對于微波頻段下的射頻識別技術，小尺寸、寬頻帶的微波濾波器技術又是其核心與關鍵。本文利用HFSS設計了一款具有彎折線凹凸環新型結構的射頻識別帶通濾波器，通過設計對比一款傳統矩形環濾波器，證明了新型彎折線凹凸環濾波器具有小尺寸、低插損、耦合作用強且耦合寬度大等特點。

關鍵詞：射頻識別；微帶帶通濾波器；HFSS；耦合系數

【分類號】TN822

1引言

物聯網中的微波通訊系統作為實現無線電訊號識別和數據讀寫的關鍵，其對應的通訊電路品質好壞將直接關系到通訊質量，而在這一進程中微波濾波器的性能與小型化實現是其重點，它相當于微波通訊系統的腎，對無線電訊號起到過濾作用。

有關實現微波濾波器小型化的技術手段有多種，比如Jong-Silk Lim提出了缺陷接地結構[2]，通過增加傳輸線電長度來減小濾波器實際物理長度。而本文主要將通過改變濾波器諧振腔結構，引入寄生電容的方法，增加諧振腔之間的耦合長度來達到實現濾波器小型化的目的。

2諧振腔耦合系數提取

對于耦合諧振式電路，諧振腔之間的耦合可分為電耦合、磁耦合和混合耦合[3]。圖1是同步調諧電耦合與磁耦合的集總元件等效電路，電路分布結構近似窄帶。其中L和C分別為諧振單元的自電感和自電容，Cm為互電容，Lm為互電感。根據網絡理論，可得圖2變形等效電路，其中電耦合和磁耦合分別用導納變換器和阻抗變換器來表示。

對電耦合，在中間插入電壁或磁壁，諧振頻率為：

電耦合系數為：

對磁耦合，在中間插入電壁或磁壁，諧振頻率為：

磁耦合系數為：

對混合耦合，其等效電路為前兩者的并聯形式，在中間插入電壁或磁壁，諧振頻率為：

混合耦合系數為：

3 微帶帶通濾波器

3.1 傳統矩形環帶通濾波器

傳統矩形環帶通濾波器設計一般根據設計指標求出近似的矩形環長、微帶線寬、耦合系數等參數后進行仿真。通常只能通過調整諧振腔耦合間距、改變饋電位置結構等方式去改善濾波器的性能，導致了設計自由度低、濾波器尺寸較大等問題。

3.2 一種小型化射頻識別帶通濾波器

針對傳統矩形環帶通濾波器的不足，本文設計了一種易于與有源電路兼容，且適于RFID設備小型化和集成化發展趨勢的新型凹凸環彎折線帶通濾波器。

根據設計指標要求，我們選擇了介電常數為19.8的Ca0.95Mg0.05TiO3作為介質基片材料，其在主頻2.45GHz下的介電損耗為10-5數量級，微帶饋電采用波端口，介質基片底部設有金屬地，介質基片上的金屬微帶線由凹環微帶諧振腔和凸環微帶諧振腔組成，微帶諧振腔下方分別設置有輸入微帶線和輸出微帶線，凹環微帶諧振腔與凸環微帶諧振腔所形成的兩個折角形狀位置及角度相互配合，折角形狀的折線與水平線之間的夾角θ為60°-85°，彎折角處引入寄生電容，縮短了半波諧振周長，從而縮小了濾波器尺寸。微帶線寬度 L1為1.7-1.8mm，L2為0.9-1.1mm，尺寸為11.8×7.5mm，面積為88.5mm2。

仿真曲線選取了折角為85°的方案，如圖4所示，中心頻率為2.45GHz，3dB相對帶寬為4.09%，插損小于0.2dB，回波損耗大于20dB。同時，該濾波器由于源負載耦合增加了1個傳輸零點，提高了帶外抑制特性。在帶外±40MHz處，衰減大于20dB，可滿足一般用戶對指標的要求。

3.3 對比傳統矩形環帶通濾波器

為了說明新型凹凸環濾波器的設計優勢，我們通過設計一款傳統矩形環帶通濾波器來進行對比。如圖5所示矩形環濾波器的各項設計指標與新型濾波器設計指標完全相同，均采用相同尺寸大小和材料的介質基片、輸入輸出微帶線、波端口和空氣層。

如圖6所示，所設計的矩形環帶通濾波器中心頻率為2.45GHz，3dB相對帶寬為3.62%，帶內插損小于0.4dB，回波損耗大于20dB，尺寸為4.8×7.1mm，面積為105.08mm2。仿真結果表明，本文所設計的新型凹凸環濾波器與傳統矩形環濾波器相比，面積減少了19.55 ，尺寸縮小了約15.8%且各項性能均小幅優于傳統矩形環濾波器。

4 耦合系數對比

根據節3所述的諧振腔磁耦合系數提取方法，我們對兩款濾波器的兩個諧振腔從0.1mm至0.8mm的間距范圍進行了耦合系數提取對比，具體結果如下：

耦合作用越強越有利于濾波器實現小型化，分析圖7實驗結果，新型凹凸環濾波器在腔間距為0.79mm時，達到最大耦合系數約0.476，而傳統矩形環濾波器則在腔間距為0.48mm時，達到最大耦合系數約0.468，但矩形環濾波器在腔間距大于0.48mm時便失去了有效耦合作用，而凹凸環濾波器由于在彎折線處引入了寄生電容，增加了耦合長度，提升了諧振腔間的耦合作用，所以其有效耦合間距比矩形環濾波器要長將近0.31mm，在腔間距為0.79mm時才失去有效耦合作用。上述對比，從耦合作用大小的角度進一步說明了凹凸環濾波器的小型化優勢。

5 結束語

本文設計的新型凹凸環射頻識別帶通濾波器，通過改變諧振腔的結構，實現了凹環腔與凸環腔的耦合，從整體結構上縮小了濾波器的尺寸，同時耦合帶引入彎折線設計，進一步增強了濾波器的耦合作用，所以與傳統矩形環濾波器相比不僅尺寸得到縮小，耦合作用也更強，同時具有與有源電路兼容的優點，有效提高了在應用中的濾波品質，有較大的工程實用價值。

參考文獻

[1] 中國科學院自動化研究所編輯委員會.自動化領域發展態勢和需求分析[J].自動化天地， 2011（9）： 6-7.

[2] Dal A.， Park，J.S.， Kim，C.S.， et al.A design of the low-pass filter using the novel microstrip defected ground structure. IEEE Trans.on Microwave Theory and Tech.， 2001，49 （1）：86-93.

[3] Palla G， Derenyi I， Farkas I， et al. Uncovering the Overlapping Community Structure of Complex Networks in Nature and Society [J].2005，435（7043）： 814-818.

作者簡介：邱瞳勛（1989-），男，漢族，貴州貴陽人， 貴州大學碩士研究生，主要研究方向為微波濾波器設計仿真。