加載3 種枝節的小型化寬帶帶通濾波器

劉新月 ，馮立營 ，馬尚剛

（1.天津職業技術師范大學電子工程學院，天津 300222；2.天津職業技術師范大學天線與微波技術研究所，天津 300222；3.天津匯訊視通科技有限公司，天津 300384）

2017 年11 月10 日，工業和信息化部發布了5G系統在3 000～5 000 MHz 頻段（中頻段）內的頻率使用規劃，明確了3 300～3 400 MHz（原則上限室內使用）、3 400～3 600 MHz 和 4 800～5 000 MHz 頻 段 作 為 5G系統的工作頻段[1]。微帶濾波器是無線通信中的一種關鍵無源器件，小型化寬帶帶通濾波器在5G 頻段的發射機和接收機的應用需求也越來越大。雙模諧振器[2]可產生2 種諧振模式，因此由其構造的濾波器固有階數可減少1/2，這樣能減小尺寸，使結構緊湊。傳統的環形雙模帶通濾波器經常用于窄帶帶通濾波器的設計，帶寬一般在1%～5%[3-4]。當前雙模諧振器以其高選擇性、低插入損耗和小型化等優勢用于寬帶帶通濾波器設計的情況逐漸增多[5-8]。文獻[9]提出的基于雙模環狀的濾波器具有低插入損耗、高選擇性的優點，但該濾波器的尺寸相對較大。文獻[10]提出的具有可調節枝節的寬帶雙模濾波器在彎曲環形雙模帶阻濾波器內部加載了枝節，減小了濾波器的面積，但帶寬較小。本文研究一種加載3 種枝節的小型化寬帶帶通濾波器，通過加載電容電感枝節，減小了濾波器的尺寸。在濾波器的輸入輸出端口正對的位置加載2 個1/4 波長開路枝節時，濾波器呈現出寬通帶和高抑制阻帶的性能。

1 電容加載雙模方形諧振器

圖1 給出了在傳統方形諧振器中加載電容的諧振器結構。

圖1 電容加載雙模方形諧振器

該諧振器是在雙模方形環狀諧振器的4 個外角上分別加載4 個直角開路枝節微帶線。外角的枝節微帶線的2 條棱相互垂直，分別與方形環的2 條邊平行。為了更好地實現諧振器的頻率選擇性，對外部枝節的4 個角進行切割。這4 個加載枝節微帶線采用金屬材料，并與地板連在一起，起到了電容的作用，相當于在諧振環的4 個角上分別加了一個電容[11]。電容的加入可以降低諧振器的中心頻率，從而實現小型化，還可以提高頻率選擇性，減少寄生通帶。電容加載諧振器等效電路[12]如圖2 所示。

圖2 中等效電路分為輸入和輸出端口，形成了V分流電路，分別用上下兩部分并聯電路表示。圖中：Z0為方形諧振器的微帶線的特性阻抗；2θ0為每個邊長的電長度；CT為方形諧振器外角加載的微帶線的電容值。為了便于分析，上下部分并聯電路的CT根據對稱軸表示為CT/2+CT/2。由于等效電路具有對稱性，因此采用奇偶模方法進行分析。

把電容加載諧振器等效電路中的地連接在一起，可得到2 個上下并聯的閉合電路。在偶模激勵下，對稱面A-A′電流值為0，等效為開路。偶模等效電路如圖 2（b）所示，輸入導納為

在奇模激勵下，對稱面A-A′電壓值為0，等效為短路，奇模等效電路如圖2（c）所示，輸入導納為

當2 條輸入輸出饋線以正交的形式直接連接到電容加載的微帶雙模方形諧振器2 個相鄰邊的中心時，該諧振器具有帶阻特性[10]。

圖2 電容加載諧振器等效電路

為了測試方便，輸入輸出采用50 Ω 饋線。該濾波器采用微帶介質材料Taconic RF60A，其介電常數為6.15，厚度H 為0.64 mm，經過優化，確定濾波器的尺寸為：L1=7.52 mm，L2= 4.68 mm，W1= 0.93 mm，W2=0.68 mm，W3=0.38 mm。利用仿真軟件Ansoft HFSS 對該諧振器的工作性能進行仿真計算，仿真結果如圖3所示。從圖3 可以看出，該諧振器具有帶阻特性，中心頻率為5.14 GHz，衰減為-24 dB。

圖3 電容加載雙模方形諧振器的帶阻特性

2 電感電容加載雙模方形諧振器

為進一步減小諧振器的尺寸，提高頻率選擇性，本文設計了電感電容加載雙模方形諧振器，如圖4 所示。由圖1 可以發現方形環內有一些閑置的空間，所以本文在方形環內部加載了4 個三角環枝節。在電容加載的方形環的4 個邊的中心分別開1 個口，開口處連接4 個臂，每個臂由1 個開口三角環組成。方形環內部排列的4 個三角環枝節，增加了諧振器的波導波長，降低了諧振頻率，從而減小了濾波器的尺寸。輸入輸出饋線連接到內部的三角環內，因此相比于單獨電容加載諧振器，尺寸減小了。在方形環右上角加載一個方形微擾[12]，微擾不僅對簡并模式起到激發的作用，而且還可以加寬阻帶。利用仿真軟件Ansoft HFSS 對電感電容加載雙模方形諧振器的工作性能進行仿真計算，仿真結果如圖5 所示。

圖4 電容電感加載雙模諧振器

圖5 電容電感加載雙模諧振器的帶阻特性

從圖5 可以看出，在相同尺寸下，基于電感電容加載方形諧振器的帶阻濾波器中心頻率為3.48 GHz，而基于電容加載方形諧振器的帶阻濾波器中心頻率為5.14 GHz。因此，電容加載的方形環內加載4 個三角環枝節后，在相同的中心頻率下，濾波器的尺寸減小了。

3 加載3 種枝節的雙模寬帶帶通濾波器

3 種枝節加載的雙模寬帶濾波器如圖6 所示。該濾波器基于以上所述的電感電容加載的雙模方形環帶阻濾波器，在帶阻濾波器的輸入輸出饋線的正對面分別連接第3 種枝節——2 個開路枝節。開路枝節的長度為1/4 λg，其中λg為濾波器中心頻率所對應的波長[14-15]。每個開路枝節由2 個相互垂直的微帶線連接組成，其中一條微帶線垂直連接到方形環內部三角的中心處。經仿真計算L3=10.1 mm，W5=0.2 mm。

圖6 3 種枝節加載的雙模寬帶濾波器

為了確定加載的三角環的尺寸，分析2 個相對三角環頂角之間的距離對濾波器頻率響應的影響。L4的大小直接影響三角環的長度，L4越小，三角環的長度越大。圖7 為隨著L4的變化，濾波器的S21參數頻率特性曲線。圖7 中虛點相間線、虛線和實線分別為C1=0.8 mm、1 mm、1.2 mm 對應的 S21參數曲線。從圖 7 可以看出，隨著L4的減小，濾波器的中心頻率也會減小。所以L4的大小可以調節濾波器的中心頻率。

圖7 濾波器不同L4 的仿真頻率響應

本文提出的3 種枝節加載的雙模寬帶濾波器頻率響應曲線如圖8 所示。該濾波器呈現出帶通特性，中心頻率為3.48 GHz，該頻率在5G 移動通信頻段范圍可以為5G 頻段發射機和接收機提供濾波功能，并可以調整尺寸適用于其他頻段。在濾波器中心頻率附近的3 dB 帶寬為52%，濾波器的插入損耗為0.2 dB，回波損耗最大為-37 dB。在阻帶范圍存在4 個傳輸零點，分別在 2.1 GHz、2.55 GHz、4.25 GHz 和 4.8 GHz處，衰減分別為 -35 dB、-30 dB、-30 dB 和-40 dB，對阻帶有很強的抑制作用[16]。實物濾波器的尺寸為9.78 mm×9.78 mm，換算成中心頻率3.48 GHz 的電尺寸為（0.236 × 0.236）λg2，其中 λg為 50 Ω 微帶線在中心頻率處的波導波長。

圖8 加載3 種枝節的雙模寬帶濾波器頻率響應曲線

4 結 語

本文設計了一種加載3 種枝節的小型化雙模寬帶帶通濾波器，該濾波器方形環外角加載的4 個開路枝節增加了濾波器的電容，內部加載的短路三角環增加了濾波器的電感，當輸入輸出饋線以正交的形式直接連接到相鄰的兩邊上時，濾波器呈現帶阻特性。在帶阻濾波器的輸入輸出饋線的正對面分別連接2 個長度為1/4 λg開路枝節，濾波器實現了寬帶設計。電容和電感的加載實現了濾波器的小型化和高選擇性能，調節內部相對三角環頂角之間的距離，可以改變濾波器的中心頻率。