基于緊湊微帶結構的雙頻帶通濾波器設計

趙虎辰

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

伴隨著通信系統的快速發展，很多系統都涉及到雙頻帶通濾波器的選用，因其具備2個傳輸通帶濾除射頻系統中不需要的頻譜能量，到目前為止，多種設計方法被采納用于雙頻帶通濾波器的研究與設計。這些設計方法大體可分為3類：第1類采用2個獨立電路并聯的形式產生雙頻帶特征[1-3]，雖然設計方法相對簡單，但難以調控濾波器的物理尺寸；第2類利用階梯阻抗諧振器設計雙頻濾波器[4-6]，然而基于該方法設計出的諧振頻率之間是相關聯的；第3類采用獨立的雙模諧振器來獲得雙頻帶特性。目前比較熟知的雙模諧振結構主要包括缺陷微帶結構[7]、希爾伯特分形結構[8]、螺旋環[9]、E形結構[10]和方環[11]等，這些條帶狀的諧振器通常呈現出較高的導體損耗和較低的功率容量。此外，基于貼片狀諧振單元結構的濾波器設計[12-13]報道較多，如圓形或方形微帶結構，但基于三角形微帶結構的報道較少。值得關注的是，貼片諧振器具有較低的插入損耗和較高的功率容量等優點。

本文介紹了一款新型雙頻帶通濾波器設計，它采用等邊三角形貼片諧振結構、金屬化過孔與背面金屬地相連接、容性輸入/輸出耦合等技術。最終所提出的濾波器呈現出2個獨立的傳輸通帶，且具有通帶內插入損耗低，通帶之間具有存在良好的隔離度。

1 雙頻帶通濾波器結構與設計

為了同時滿足2.4 GHz 802.11b/g/n和5.8 GHz 802.11a雙波段無線局域網(WLAN)接入性能的需求，設計的雙頻帶通濾波器結構如圖1所示。該濾波器設計包含等邊三角形貼片、金屬化過孔、缺陷地和微帶枝節匹配線等結構。

圖1 雙頻帶通濾波器設計示意圖

該濾波器設計選用1 mm厚的Rogers高頻基板，介質基板相對介電常數為2.55。通過使用基于有限元的Ansoft HFSS完成濾波器的仿真與優化。最終得到此雙頻帶通濾波器的設計指標如下：L=67.4 mm，L1=19.4 mm，L2=14.0 mm，L3=10.1 mm，L4=6.7 mm，L5=1.1 mm，L6=5.6 mm，W=33.7 mm，W1=5.6 mm，W2=3.4 mm，W3=1.1 mm，W4=3.1 mm，W5=0.2 mm，W6=6.7 mm，d=0.5 mm，R=4.5 mm。

該濾波單元設計方案是以三角形拓撲結構為基礎，通過采用加載金屬過孔的方法，在原有諧振結構上激勵出額外的諧振峰。該方案在保證不增加原有設計結構尺寸的前提下，實現了單一結構的多模諧振[14-15]。此外，采用地平面加載DGS、輸入及輸出端加載匹配枝節線等技術手段，進一步對整體濾波性能進行優化與提升[16-17]。

2 基本諧振結構性能分析

在不添加任何附加結構的前提下，等邊三角形微帶貼片可以看作是一個諧振結構。引入金屬化過孔將等邊三角形微帶貼片與地平面相連通，并且過孔放置于等邊三角形微帶貼片的中軸線位置，如圖1所示。然后，分別對加載金屬化過孔前后的等邊三角形貼片結構進行電磁諧振特性仿真，對應結果如圖2所示。

圖2 加載過孔的諧振特性對比

通過對加載金屬化過孔前后的等邊三角形貼片結構的諧振特性進行對比分析，可以看出沒有金屬化過孔的等邊三角形微帶貼片諧振器只有一個諧振峰，其頻率大概為6 GHz。隨著金屬化過孔的引入，等邊三角形微帶貼片諧振器呈現出2個諧振峰，一個位于6.2 GHz頻率處，另一個則位于2.6 GHz頻率處，這表明金屬化過孔的引入致使等邊三角形微帶貼片諧振器激勵出第二諧振峰。

3 雙頻帶通濾波器優化與實現

3.1 雙頻帶通濾波器優化

利用上述新型諧振單元結構，完成雙頻帶通濾波器的設計與優化。通常單元結構諧振頻率響應與諧振器的拓撲結構尺寸相關聯，為了滿足2.4，5.8 GHz的WLAN，相應地設計出一款新型雙頻帶通濾波器。此外，引入相關技術用以優化濾波器性能，如DGS和開路短枝節匹配線。

加載DGS的傳輸特性對比如圖3所示，在不改變整體尺寸的前提下，由于DGS的引入，濾波器的傳輸特性S21存在以下變化：傳輸特性整體有向低頻區移動的趨勢，且高頻端傳輸通帶展寬。在使用DGS的前提下，引入開路短枝節線技術使輸入與輸出之間實現匹配。該雙頻帶通濾波器在添加開路短枝節線前后的性能比對結果如圖4所示。

圖3 加載DGS的傳輸特性對比

圖4 加載匹配線的傳輸特性比較

綜上可得，所設計的濾波器在采用DGS和開路短枝節線技術之后，具備良好的頻率截止響應、較寬的通帶帶寬、較低的插入損耗以及較強的阻帶衰減等特性。

3.2 雙頻帶通濾波器實現

使用矢量網絡分析儀對濾波器原型進行測量，如圖5所示，其仿真與實測結果如圖6所示。在每個通帶的兩側都存在傳輸零點，這有助于頻率選擇性的提升，對應的最大過渡帶衰減可達109 dB/GHz，阻帶內的衰減接近于60 dB。低頻端通帶內的傳輸損耗約為0.13 dB，高頻端通帶內的傳輸損耗約為1.6 dB。該雙頻帶通濾波器的設計工作頻率分別為2.4，5.8 GHz，對應的3 dB帶寬分別為230，920 MHz，故該濾波器適用于工作在2.4，5.8 GHz的WLAN等環境。

圖5 雙頻帶通濾波器實物

圖6 濾波器特性的仿真與實測比對

4 結束語

本文設計了一款新穎的雙頻帶通濾波器，它采用等邊三角形貼片諧振器結構，利用金屬化過孔與地平面相連、以及輸入/輸出容性耦合，并進一步通過引入DGS和微帶枝節線，有助于雙頻帶通濾波頻率選擇性能的改善。經分析表明，該微帶濾波器設計具有陡峭的過渡帶、通帶范圍內插入損耗低、阻帶范圍內具有較強的衰減，且實際測量結果與電磁仿真相一致，滿足了2.4，5.8 GHz雙波段WLAN接入點等工程應用的需要。