雙分路短路截線諧振器三通帶濾波器設計

戴豪宇

(浙江理工大學 信息學院，浙江 杭州 310018)

0　引言

近年來，手機和無線通信技術的快速發展增加了對雙模式或多模式通信系統的需求[1]。

作為多頻帶無線系統最重要的元件之一，三通帶帶通濾波器在近些年獲得廣泛關注。為了滿足這一需求，人們已經進行了許多研究，并且已經開發了許多拓撲結構來實現具有三通帶響應的高質量濾波器，在各種現代通信系統中發揮作用。

文獻[2]組合了3個獨立的濾波器來提供3個特定的通帶，文獻[3-4]則采用耦合矩陣優化的方法來實現三波段響應，然而這些濾波器的尺寸仍然不緊湊[2-4]。文獻[5-6]分別采用缺陷地和短截線加載結構組成三通帶濾波器，但是它們的結構都太過復雜。文獻[7]則采用三通帶階梯阻抗諧振器來獲得三通帶響應，然而，由于通帶內缺乏足夠的傳輸零點，這些濾波器從通帶到阻帶的過渡不夠尖銳。如何實現準橢圓形響應的三通帶濾波器仍然需要進一步研究。

本文提出一種由兩個分路短路截線[9]組成的三通帶諧振器，并將其應用于三通帶帶通濾波器的設計。這個三通帶諧振器的特點是它有多個傳輸零點，從而在通帶附近提供尖銳的衰減和有較好的隔離度。基于這個新的諧振器可以獲得具有準橢圓響應[10]的三通帶濾波器[11]。為了驗證設計理論，本文設計和測量了工作在2.64 GHz和5.6 GHz的雙極點三通帶BPF，測量結果證實了濾波器的仿真頻率響應。

1　三通帶濾波器設計與分析

本文設計的三通帶諧振器[12]的拓撲結構如圖1所示。每個諧振器由2個分路短路截線組成，2個短截線的特征阻抗、物理寬度和物理長度也在圖1中描述。

圖1　所提出諧振器的拓撲結構

其中諧振器的輸入導納：

(1)

式中，c為光在真空中光的速度，εe為襯底有效電解質常數。

通過解決以下等式獲得諧振器三頻諧振頻率：

Yin(foi)=0。

(2)

顯然，當一個短路截線呈感性，另一個截線呈容性時，諧振器諧振。因為截線呈感性和容性是周期性的，對于上述等式這里有很多個解。為了小型化，只有最低的三個非零諧振在這里將會用來組成三通帶諧振器。

在諧振器的中心頻率定義它的電納斜率參數

(3)

然后在此頻率可以從等式(1)導出如下：

(4)

當零點是由2個短路截線引起時，一旦2個短路截線中任何一個的電長度等于kπ(k= 1,2,...n)，則產生一個零點。同時使用式(5)和式(6)可以很容易地得到它：

(5)

(6)

包括零頻在內的最低4個解是所需要的零點，分別可以表示為fz1、fz2、fz3和fz4。

至于以上描述，調整包括它們的寬度和長度的兩個短路截線的尺寸將使諧振頻率和零頻率偏移到預期的位置。 預先確定包括它們的寬度和長度的兩個短路截線的尺寸，可以在給定的襯底上容易地計算3個諧振頻率和零點。圖2給出了諧振器的輸入導納，其尺寸如下：W1=0.56 mm,l1=23.7 mm,W2=0.78 mm,l2=30.2 mm。在此圖中可以清楚地觀察到3個諧振和4個零點。

圖2　典型情況下關于頻率的輸入導納

通過使用適當的導納變換器來連接所提出的三通帶諧振器，可以獲得具有三通帶準橢圓響應的濾波器。對于三通帶濾波器，每個通帶的導納變換器都不相同。據了解，還沒有發表三通帶導納濾波器。為了做出妥協，將變換器使用在中頻帶，即第二頻帶，盡管這會使第一和第三通帶無法靈活地調諧。所提出的濾波器等效電路如圖3所示。

圖3　提出的三通帶濾波器的等效電路

圖中的導納變換器可以通過四分之一波長傳輸線實現。假設所使用的諧振器是相同的。相應地，傳輸線的特征阻抗和物理長度可以由下面的公式得出：

(7)

(8)

式中，FBW2為第二帶寬的分數帶寬，β2是在fo2下的電納斜率參數，gi(i= 0,1,2,…,n)是原型低通濾波器的元件值。

2　測量結果和討論

為了驗證該方法，設計仿真和測量典型情況。在此設計中使用的襯底具有相對介電常數2.65，厚度1 mm和損耗角正切0.004。 濾波器的布局如圖4所示，其尺寸為W1=0.8 mm,l1=29.3 mm,l2=22.3 mm,W2=0.56 mm,W12=0.52 mm,l12=12.55 mm,W01=W23=1.32 mm,l01=l23=12.6 mm,we=le=1 mm,re=0.6 mm。

濾波器的制造尺寸是38 mm×52 mm,約0.44λg×0.6λg，其中λg是在第一頻帶中心頻率的導波波長。圖5顯示了制造的濾波器的照片。

圖4　提出的濾波器布局

圖5　制造的三通帶微帶帶通濾波器的照片

濾波器仿真和實測結果如圖6所示。測量結果與ADS Momentum仿真結果非常吻合。 測量3個通帶的3 dB頻率范圍(分數帶寬)中心在2.64、4和5.6 GHz，發現是1 840～2 940 MHz(42%)、4 090～3 890 MHz(5%)和5 270～6 060 MHz(14%)。這3個通帶測量的最小插入損耗以相同的順序分別為1.5、0.908和1.34 dB，并且由于4個零點位于0、3.45、4.72和7.24 GHz，每個通帶旁邊可以清楚地觀察到準橢圓響應，這有助于產生尖銳的過渡帶。相比較其他三通帶濾波器的優勢在于其設計構造簡便，且在其中使用導納變換器，可以使其小型化。

圖6　仿真和測量三通帶微帶線BPF

3　結束語

提出了一種新型的三通帶微帶線帶通濾波器。該濾波器由兩個導納變換器連接的三通帶諧振器組成。 每個諧振器由兩個短路短截線組合而成。新提出的諧振器具有多傳輸零點的優點，可以提高濾波器的性能。基于所提出的概念，設計制造和測量具有以2.6、4和5.6 GHz為中心的3個頻帶的二階濾波器。仿真結果和實測結果的吻合很好地驗證了所提出的結構和方法。

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