平面帶通濾波器的多頻帶技術(shù)

覃鳳 周瑩 曹美媛

摘? 要：作為無線通信終端設(shè)備的重要組成部分，濾波器在無線通信系統(tǒng)中具有重要作用，隨著頻譜資源的日益緊張，研究雙頻甚至多頻平面帶通濾波器的基礎(chǔ)理論及設(shè)計(jì)方法對(duì)于多頻通信系統(tǒng)的發(fā)展至關(guān)重要。首先對(duì)國內(nèi)外近年來在多頻帶平面帶通濾波器方面的研究現(xiàn)狀作了報(bào)告，總結(jié)了平面帶通濾波器的多頻帶技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)目前實(shí)現(xiàn)多頻帶濾波器的主要技術(shù)手段進(jìn)行了研究歸納。

關(guān)鍵詞：微波通信;帶通濾波器;多頻帶;應(yīng)用現(xiàn)狀

Abstract：As an important part of wireless communication terminal equipment，filter plays an important role in wireless communication system. With the increasing shortage of spectrum resources，it is very important to study the basic theory and design method of dual frequency or even multi-frequency planar band pass filter for the development of multi-frequency communication system. Firstly，the research status of multi-band planar band pass filter at home and abroad in recent years is reported，and the multi-band technology of planar band pass filter is summarized. On this basis，the main technical means of realizing multi-band filter are studied and summarized.

Keywords：microwave communication;band pass filter;multi-band;application status

0? 引? 言

近年來，電子技術(shù)及無線通信技術(shù)發(fā)展迅猛，隨之涌現(xiàn)出面向各種無線通信應(yīng)用的終端設(shè)備。其中，無線收發(fā)系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)無線電波的接收及發(fā)射，是移動(dòng)終端設(shè)備中至關(guān)重要的組成部分之一，在整個(gè)通信系統(tǒng)中扮演著的“耳目”的作用。而在無線收發(fā)系統(tǒng)中，為了將有用信號(hào)和干擾及噪聲區(qū)分開來，即提取有用信號(hào)的同時(shí)抑制干擾及噪聲，要求無線接收機(jī)在接收端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，相應(yīng)地，無線發(fā)射機(jī)中也應(yīng)設(shè)置濾波電路，用于將發(fā)射信號(hào)濾波處理之后再發(fā)射出去。這里的濾波處理主要用濾波器（Filter）實(shí)現(xiàn)，可見濾波器是無線收發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分。濾波器種類多種多樣，其中由于平面型濾波器具有結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉、便于集成等優(yōu)點(diǎn)而受到國內(nèi)外研究學(xué)者的青睞，并且在GPS、WLAN、GSM以及WCDMA等無線通信系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用[1]。另一方面，快速發(fā)展的無線通信技術(shù)促使采用無線通信方式的電子設(shè)備日益增多，頻譜資源也隨之日漸緊張，傳統(tǒng)單一頻帶的濾波器逐漸被淘汰而退出市場(chǎng)。同時(shí)，采用簡(jiǎn)單地級(jí)聯(lián)多個(gè)單頻濾波器設(shè)計(jì)多通帶濾波器的方式將增加終端設(shè)備的制造成本及體積，這樣一來則無法滿足無線通信設(shè)備小型化、便攜式發(fā)展的需求。因此，研究并設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)異且具有雙頻甚至多頻特性的平面帶通濾波器在理論及實(shí)踐方面均具有重要價(jià)值。

基于攻讀碩士學(xué)位以來從事微帶濾波器及微帶天線等微波器件設(shè)計(jì)研究的工作經(jīng)驗(yàn)，為總結(jié)平面微帶濾波器在多頻帶設(shè)計(jì)方面的研究成果及技術(shù)手段，筆者首先對(duì)近年來國內(nèi)外關(guān)于多頻帶平面帶通濾波器的主要研究成果進(jìn)行了總結(jié)介紹。并基于多頻帶通濾波器的研究現(xiàn)狀，進(jìn)一步歸納總結(jié)了實(shí)現(xiàn)平面帶通濾波器多頻帶設(shè)計(jì)的主要技術(shù)方法，對(duì)多頻帶平面帶通濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)有一定的借鑒意義。

1? 多頻帶平面帶通濾波器的研究現(xiàn)狀

隨著無線通信設(shè)備越來越多，頻譜資源越來越緊張，僅適用單頻帶通信需求的傳統(tǒng)濾波器逐漸被淘汰。而傳統(tǒng)的采用將多個(gè)單頻帶濾波器簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián)起來設(shè)計(jì)的多通帶濾波器又不符合無線通信設(shè)備的小型化、便攜式發(fā)展趨勢(shì)。因此，具有優(yōu)異性能的多頻帶平面濾波器的設(shè)計(jì)方法成了當(dāng)前乃至今后的研究熱點(diǎn)，備受國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。

濾波器的多頻技術(shù)即利用單一濾波器便可實(shí)現(xiàn)同時(shí)工作在多個(gè)頻段的濾波器頻率響應(yīng)特性。早期傳統(tǒng)的多頻帶通濾波器是通過將多組諧振器并聯(lián)起來實(shí)現(xiàn)的。如Chen等人就曾利用平行耦合線的饋線結(jié)構(gòu)，通過并聯(lián)兩組諧振頻率互不相同的諧振器實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的雙頻特性[2]。這種方法原理簡(jiǎn)單、方便可行，但電路尺寸較大。為減小電路尺寸，Chen等人在上述研究基礎(chǔ)上通過彎折輸入輸出饋線設(shè)計(jì)出了一個(gè)結(jié)構(gòu)更緊湊的雙頻帶通濾波器電路[3]，從而在實(shí)現(xiàn)濾波器雙頻特性的同時(shí)兼顧了小型化設(shè)計(jì)。

對(duì)于微帶結(jié)構(gòu)的濾波器電路，還可以采用缺陷地結(jié)構(gòu)（DGW）來實(shí)現(xiàn)多頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)。如文獻(xiàn)[4]采用兩組DGW諧振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的雙頻帶通濾波器，利用不同尺寸的DGW諧振器具有不同諧振頻率的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了分別諧振在1.85 GHz和2.35 GHz、具有雙頻帶通特性的濾波器設(shè)計(jì)。為更加充分地利用上層空間，同年Wu等人又采用微帶諧振器和DGW諧振器相組合的方法設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)更緊湊的雙頻帶通濾波器[5]。

另一種常被用于實(shí)現(xiàn)濾波器多頻化設(shè)計(jì)的技術(shù)方法是采用階躍阻抗諧振器（SIR）。如文獻(xiàn)[6]中提出的利用SIR設(shè)計(jì)帶寬可控的雙通帶濾波器，并對(duì)SIR的諧振特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。Chu等人也于2008年設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款雙頻帶濾波器[7]，通過調(diào)節(jié)SIR的阻抗比和電長(zhǎng)度比，可有效控制諧振器本身具有的兩個(gè)頻段。另外，為了優(yōu)化帶內(nèi)性能，濾波器采用兩個(gè)SIR級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通帶內(nèi)的雙模特性。而將諧振器彎折并采用偽交趾耦合的結(jié)構(gòu)主要是為了進(jìn)一步減小電路尺寸，與此同時(shí)，改變?yōu)V波器中兩個(gè)SIR之間的耦合強(qiáng)度可實(shí)現(xiàn)對(duì)通帶內(nèi)模式分離程度的控制，進(jìn)而達(dá)到帶寬可調(diào)的目的。

此外，利用加載枝節(jié)的方法形成的多模諧振器也常被用于設(shè)計(jì)多頻帶通濾波器。所謂的枝節(jié)加載諧振器是在單一諧振器的不同位置加載不同尺寸及不同結(jié)構(gòu)的枝節(jié)，從而得到彼此無耦合的多個(gè)模式特性，在實(shí)現(xiàn)濾波器多頻化設(shè)計(jì)的同時(shí)還具有帶寬可控性。Liu等人于2013年提出了一種新型多模諧振器——環(huán)形加載諧振器[8]，其結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，圖中MW和EW分別表示磁壁和電壁。環(huán)形加載諧振器的構(gòu)成方法為：在均勻阻抗諧振器（寬度w）的中心位置進(jìn)行方環(huán)形加載（加載環(huán)形的長(zhǎng)和寬分別為L(zhǎng)2、2s，微帶寬度w），L1為加載的方環(huán)形到均勻阻抗諧振器邊緣的距離。文章利用奇偶模理論建立該諧振器的等效電路并詳細(xì)分析了其諧振特性。最后利用這種新型諧振器設(shè)計(jì)并制作實(shí)現(xiàn)了一款面向WLAN應(yīng)用的雙通帶濾波器，為了獲得更緊湊的濾波器結(jié)構(gòu)，將圖1（a）的諧振器進(jìn)行了彎折處理，再加上輸入輸出微帶饋線，從而得到如圖1（b）所示的濾波器結(jié)構(gòu)。其中，w、L1、L2含義同圖1（a），w1為微帶饋線寬度，g為饋線與諧振器的間距。圖1（c）給出了該濾波器的頻率特性，S11、S21分別為濾波器的回波損耗和插入損耗參數(shù)，該濾波器在實(shí)現(xiàn)雙頻帶頻率響應(yīng)特性的同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。

文獻(xiàn)[9]通過在兩階的對(duì)稱SIR上加載短路枝節(jié)設(shè)計(jì)了一款三頻帶通濾波器，濾波器結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。該濾波器包括一個(gè)彎折成“S”形的短路枝節(jié)加載SIR（短路枝節(jié)加載在SIR的中心位置，SIR的尺寸為L(zhǎng)1，L2，W1，W2，加載的短路枝節(jié)尺寸為L(zhǎng)3，W3）和一對(duì)開口環(huán)UIR（長(zhǎng)度為L(zhǎng)4+L5，寬度W4）組成。g1為兩個(gè)UIR之間間距，UIR和SIR不同位置之間的間距分別為g2和g3。最終得到的濾波器頻率響應(yīng)特性如圖2（b）所示，S11、S21分別為濾波器的回波損耗和插入損耗參數(shù)。其中，三個(gè)頻帶分別由枝節(jié)加載SIR的奇偶模諧振頻率、SIR的一次諧波以及饋線部分產(chǎn)生。另外，該濾波器電路結(jié)構(gòu)中將SIR進(jìn)行彎折處理有利于小型化設(shè)計(jì);采用的零點(diǎn)饋線結(jié)構(gòu)，有助于產(chǎn)生多個(gè)傳輸零點(diǎn)，以提高濾波器的選擇性。

2? 多頻濾波器的設(shè)計(jì)方法

綜合以上對(duì)于多頻平面帶通濾波器的應(yīng)用研究，可見濾波器多頻技術(shù)的核心在于將具有不同諧振頻率的諧振單元集成在單一濾波器中，通過多路徑實(shí)現(xiàn)濾波器的多頻特性。目前在實(shí)現(xiàn)濾波器多頻帶特性的設(shè)計(jì)中，較為成熟且有效的技術(shù)方法有很多，具體包括：

（1）級(jí)聯(lián)帶通濾波器和帶阻濾波器或?qū)⒍嘟M諧振器并聯(lián)，具體的濾波器結(jié)構(gòu)及其耦合結(jié)構(gòu)如圖3所示。1～6對(duì)應(yīng)表示兩個(gè)微帶諧振器和四個(gè)缺陷地開環(huán)諧振器的六個(gè)諧振單元，相互間存在的直接耦合和間接耦合分別用實(shí)線和虛線表示，M則代表對(duì)應(yīng)的耦合系數(shù)，圖中的箭頭指出了信號(hào)的傳輸方向。采用這種方法設(shè)計(jì)的多頻濾波器原理簡(jiǎn)單，但由于需要對(duì)多個(gè)不同諧振器進(jìn)行阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)而使得設(shè)計(jì)復(fù)雜度增大。同時(shí)，包含多個(gè)濾波器以及阻抗匹配電路的引入造成濾波器電路尺寸較大，無法滿足無線設(shè)備的小型化要求。

（2）采用缺陷地（DGW）結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)濾波器的地平面開槽，如圖4所示。其中黑色（T型）部分代表電路板正面的輸入輸出饋線，白色（U型）部分為電路板背面蝕刻的開槽結(jié)構(gòu)。利用不同尺寸的DGW諧振器結(jié)構(gòu)具有不同諧振頻率的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)濾波器的多頻帶效果。這種方法可在實(shí)現(xiàn)多頻設(shè)計(jì)的同時(shí)在一定程度上兼顧濾波器的小型化，特別是在將DGW結(jié)構(gòu)和微帶結(jié)構(gòu)結(jié)合起來設(shè)計(jì)多頻帶濾波器的情況下對(duì)于雙層空間的充分利用更為有效，可進(jìn)一步縮減電路尺寸，實(shí)現(xiàn)小型化。

（3）利用階躍阻抗諧振器（SIR）基頻和諧波頻率可控的特性來實(shí)現(xiàn)濾波器的多頻化設(shè)計(jì)。SIR具有不同表現(xiàn)形式，其中圖5所示為非對(duì)稱的諧振器結(jié)構(gòu)。它由高阻抗線（L1、W1、θ1、Z1）和低阻抗線（L2、W2、θ2、Z2）兩部分組成。其中，L、W、θ、Z分別為對(duì)應(yīng)阻抗線的物理長(zhǎng)、寬、阻抗及電長(zhǎng)度。采用這種阻抗不均勻的諧振器可通過改變其阻抗比和電長(zhǎng)度比實(shí)現(xiàn)各通帶中心頻率和帶寬的單獨(dú)可調(diào)。

（4）采用多模諧振器（MMR）。多模諧振器本身包含多個(gè)諧振回路，不同諧振回路對(duì)應(yīng)不同頻率，可以通過合理控制諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)濾波器的多頻工作特性。而一般可以采用以下方法構(gòu)成具有多個(gè)模式的多模諧振器：加入貼片形成微擾分離模式、在貼片諧振器上開不同尺寸的槽、加載枝節(jié)以及采用非均勻諧振器等。

相對(duì)于前述三種多頻帶濾波器的設(shè)計(jì)方法，采用多模諧振器的方式更容易實(shí)現(xiàn)尺寸更小、帶內(nèi)特性更好、帶外選擇性更優(yōu)良以及諧振模式更豐富的多頻帶濾波器設(shè)計(jì)，因此被廣泛用來設(shè)計(jì)多頻帶帶通濾波器。值得注意的是，有關(guān)濾波器的多頻化設(shè)計(jì)方法并不限于以上提到的這幾種，并且各種實(shí)現(xiàn)多頻帶特性的技術(shù)手段也并非是孤立的。同時(shí)，在對(duì)濾波器進(jìn)行多頻化設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該兼顧帶內(nèi)損耗、帶外選擇性、多頻帶等多方面的性能指標(biāo)。

3? 結(jié)? 論

本文首先針對(duì)近年來國內(nèi)外在平面帶通濾波器的多頻帶設(shè)計(jì)方面的主要研究成果進(jìn)行了簡(jiǎn)要回顧，在此基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了在平面帶通濾波器的設(shè)計(jì)過程中用于實(shí)現(xiàn)多頻特性的主要技術(shù)手段，為下一步多頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)工作提供理論依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：覃鳳（1989—），女，漢族，四川遂寧人，教師，講師，碩士，主要研究方向：電子通信、電磁場(chǎng)與微波技術(shù);周瑩（1991—），女，漢族，湖北鄂州人，教師，講師，碩士，主要研究方向：無損檢測(cè)、圖像處理;曹美媛（1991—），女，漢族，湖南醴陵人，教師，助教，碩士，主要研究方向：圖像處理。