淺析平衡式雙通帶獨(dú)立可控帶通濾波器設(shè)計(jì)

方曉明

摘 要 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)提出一種基于多模諧振器的平衡式雙通帶帶通濾波器。該設(shè)計(jì)合理利用諧振器和加載枝節(jié)的長(zhǎng)度分別調(diào)節(jié)2個(gè)通帶的中心頻率；利用金屬化通孔耦合以及諧振器之間的寬邊耦合分別控制2個(gè)通帶的耦合系數(shù)；通過(guò)控制饋線與諧振器以及與加載枝節(jié)之間的間距分別控制2個(gè)通帶的外部品質(zhì)因數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)雙通帶頻率和帶寬的獨(dú)立控制。為了驗(yàn)證所提出的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款平衡式二階帶通濾波器，其測(cè)試與仿真結(jié)果較吻合，表明了濾波器具有較好的差模通帶性能以及良好的共模抑制能力。

關(guān)鍵詞 平衡濾波器；獨(dú)立控制；共模抑制

引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，具有多頻特性的微波電路和系統(tǒng)前端越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。在這個(gè)報(bào)告中，將介紹幾款具有豐富設(shè)計(jì)自由度的新型多模諧振結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于多頻平衡濾波電路設(shè)計(jì)。我們還將重點(diǎn)介紹基于多模諧振結(jié)構(gòu)和高溫超導(dǎo)材料的高階平衡式多頻帶濾波器設(shè)計(jì)和應(yīng)用。基于高溫超導(dǎo)材料的平衡濾波器電路具有低損耗、高選擇特性和強(qiáng)共模噪聲抑制，可以極大提高接收機(jī)前端靈敏度和抗干擾性能，在極端條件移動(dòng)通信系統(tǒng)、射電天文和深空探測(cè)中具有潛在、廣闊的應(yīng)用空間。

1 雙通帶平衡式濾波器

為了充分利用現(xiàn)階段的頻譜和通信設(shè)備資源，保證通信系統(tǒng)能夠同時(shí)工作在多個(gè)頻段，這一問(wèn)題的有效解決途徑是使用多通帶的微波通信系統(tǒng)。而平衡式雙通帶濾波器是平衡式通信系統(tǒng)中不可或缺的器件[1]。

2 平衡式濾波器設(shè)計(jì)

2.1 耦合系數(shù)

本文設(shè)計(jì)的濾波器是通過(guò)擬合諧振器之間的耦合以及饋線和諧振器之間的耦合實(shí)現(xiàn)。平衡式濾波器有2個(gè)耦合區(qū)域，耦合區(qū)域Ⅰ是2個(gè)諧振器之間的縫隙耦合，它對(duì)低頻和高頻通帶的耦合系數(shù)都有影響，且耦合系數(shù)主要受耦合區(qū)域Ⅰ微帶線的長(zhǎng)度和縫隙間的寬度控制；耦合區(qū)域Ⅱ是金屬化通孔耦合，它主要影響低頻通帶的耦合系數(shù)，且耦合系數(shù)主要受微帶線寬度和金屬化通孔的半徑控制。基于耦合諧振理論，耦合強(qiáng)度可由耦合系數(shù)表征。耦合系數(shù)的提取可由（1）式得出：

（1）式中：K12是耦合系數(shù)；f1和f2指的是在饋線和諧振器之間為弱耦合時(shí)，通帶中S21的2個(gè)尖峰的頻率。

2.2 外部品質(zhì)因數(shù)

饋線和諧振器之間的耦合可以通過(guò)外部品質(zhì)因數(shù)Qe來(lái)表示。為了提取外部品質(zhì)因數(shù)，在提取時(shí)只保留了一對(duì)差分端口和一個(gè)諧振器。提取外部品質(zhì)因數(shù)Qe的公式為：

（2）式中：f0表示中心頻率；f±90°表示與f0上下相差90°處的頻率。依據(jù)（2）式提取參數(shù)計(jì)算并畫出了圖1。從圖1中可以看出，低頻通帶的Qel隨著饋線與加載枝節(jié)之間的間距c增大而增大，而高頻通帶的Qeh基本不隨饋線與加載枝節(jié)之間的間距c變化；低頻通帶的Qel隨著饋線與諧振器之間的間距b增大而增大，而高頻通帶的Qeh隨著饋線與諧振器之間的間距b的變化較小；由圖2可知，饋線與加載枝節(jié)之間的間距c主要影響低頻的Qel，而饋線與諧振器之間的間距b主要影響高頻的Qeh。因此，可以確定該濾波器2個(gè)通帶的外部品質(zhì)因數(shù)Qe是獨(dú)立可控的[2]。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述的理論分析和設(shè)計(jì)思想，濾波器由上下對(duì)稱的兩面和中心插入金屬面組成，中間有一層中心插入導(dǎo)電平面，構(gòu)成DSPSL結(jié)構(gòu)。其上下面的結(jié)構(gòu)分別由兩個(gè)兩端接地的λ/2SIR諧振器組成。諧振器兩端為兩個(gè)TGV通孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩個(gè)33Ω，電阻接地，用來(lái)實(shí)現(xiàn)共模抑制；諧振器中心加載0.7 pF電容實(shí)現(xiàn)雙通帶特性。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的雙頻帶平衡帶通濾波器具有良好的差模頻率響應(yīng)和共模抑制效果[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文提出了一種小型化的平衡式雙通帶帶通濾波器，并且本文所提出的濾波器有很好的共模抑制能力、更加緊湊的尺寸，而且雙通帶的頻率、耦合系數(shù)和外部品質(zhì)因數(shù)都是獨(dú)立可控的。該濾波器的仿真和測(cè)試的結(jié)果吻合良好。由于該濾波器具有很好的共模抑制能力和緊湊的尺寸，使得該濾波器能夠適用于許多微波通信系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳新偉.平衡雙頻帶通濾波器及濾波天線的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：山西大學(xué)，2013.

[2] 于鵬飛.新型雙通帶平衡帶通濾波器的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.

[3] 陳建忠.濾波微波器件的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.