基于開路短路短截線的緊湊型三通帶濾波器設計

(上海海事大學信息工程學院,上海 201306)

近年來,多波段微波濾波器在無線通信系統、軍事和民用領域得到了廣泛的應用,并肩負著選頻的重要使命。隨著現代無線通信系統的飛速發展,頻譜資源越來越擁擠,單波段帶通濾波器已不能滿足精確頻譜劃分的要求,因此多波段帶通濾波器日益成為科研和探索的熱點[1-5]。文獻[6]提出了采用三模SLRs(Stub Loaded Resonators)的三頻濾波器。所提出的濾波器具有良好的相對帶寬,但其電路尺寸較大;此外,在通帶之間只有兩個傳輸零點,具有較差的選擇性能。文獻[7]提出了一種使用高溫超導材料的新型三頻濾波器模型,由三個單波段濾波器組合在一起。該濾波器插入損耗小,可獨立控制所有頻段,但電路尺寸較大。此外,該濾波器的包裝盒子為鍍金材質,制造成本會增加。文獻[8]提出了一種基于短截線加載階躍阻抗諧振器SIR(Stepped Impedance Resonator)的三頻濾波器,0°饋源結構用于每個通帶的通帶邊緣附近提供至少一個傳輸零點,從而產生高選擇性,但電路尺寸較大,不易于制造。文獻[9]使用短截線加載諧振器SLR(Stub Loaded Resonator)和缺陷地結構DGS(Defected Ground Structure) 諧振器的三頻濾波器,DGS 諧振器構成第一道通帶,SLR 形成第二和第三通帶,在濾波器的對稱平面通過通孔技術進行磁耦合,插入損耗較大。以上文獻中提出的三頻濾波器結構都復雜,如何設計一個相鄰通帶閉合、插入損耗低、體積小、通帶選擇性能好的多通帶濾波器仍是電路設計人員面臨的一個挑戰。

本文基于開路短路短截線理論,通過在微帶傳輸線上加載一對短路短截線和三對開路短截線設計了一種具有帶寬可控的緊湊型三通帶濾波器。該濾波器由兩個二階和一個三階帶通濾波器組成,且在不增加電路尺寸的情況下,獲得三頻帶特性。同時,還具有尺寸緊湊和結構簡單的優點。此外,由于沒有采用耦合結構,所以可以在每個通帶中獲得低插入損耗,并通過仿真軟件進行驗證。

1 濾波器理論及分析

三通帶濾波器的理想傳輸線模型如圖1 所示。Z1為短截線的特征阻抗,Z2為傳輸線的特征阻抗,θa為短路短截線的電長度,θd,θg,θh為開路短截線的電長度。該濾波器由兩個二階帶通濾波器和一個三階帶通濾波器組成。

圖1 三通帶濾波器的理想傳輸線模型Fig.1 Ideal transmission line model of the triple-band filter

1.1 二階帶通濾波器

圖2 所示的二階帶通濾波器的理想傳輸線模型1 控制第一通帶中心頻率f1,由兩個電長度為θa的短路短截線和兩個電長度為θd的開路短截線所組成。短截線和傳輸線的特性阻抗用Z1和Z2表示。當開路短截線、短路短截線和它們之間的連接線的總電長度為四分之一波長時(θa+θb+θc+θd=90°),組合傳輸線可以等效為并聯諧振電路。此外,當開路短截線之間的連接線的電長度為四分之一波長時,該連接線可被視為導納逆變器。因此圖2 中結構的等效電路是二階帶通濾波器。

圖2 二階帶通濾波器的理想傳輸線模型1Fig.2 Ideal transmission line model 1 of the second-order bandpass filter

圖3 所示的二階帶通濾波器的理想傳輸線模型2控制第三通帶中心頻率f3,由兩個開路短截線(Z1,θh)和兩個開路短截線(Z1,θg)組成。當兩條電長度為θg的開路短截線和它們之間的連接線的總電長度為四分之一波長時(θh+θc+θe+θg=90°),組合傳輸線也可以等效為并聯諧振電路。當兩條電長度為θg的開路短截線之間的連接線的電長度為四分之一波長時,連接線可作為導納逆變器。所以圖3 中結構的等效電路也是二階帶通濾波器。

圖3 二階帶通濾波器的理想傳輸線模型2Fig.3 Ideal transmission line model 2 of the second-order bandpass filter

根據文獻[13],集總元件值、逆變器導納值以及短截線和連接線的特性阻抗之間的關系可以描述為:

式中:gn(n=0,1,2,3)為二階低通濾波器原型的元件值;Z0為終端阻抗;ω0和Δ分別為帶通濾波器的中心角頻率和相對帶寬。導納逆變器等效于諧振器之間的耦合元件,其值可由式(2)～(4)導出。

如圖2 和圖3 所示,抽頭線耦合結構用于給四分之一波長諧振器饋電。耦合強度由饋電點的位置決定。其中圖2 所示的二階帶通濾波器控制第一通帶,中心頻率為2.25 GHz,圖3 所示的二階帶通濾波器控制第三通帶,中心頻率為6.23 GHz,同時觀察到開路短截線(Z1,θd)產生傳輸零點。

1.2 三階帶通濾波器

如圖3 所示,另一個單波段帶通濾波器由一條傳輸線和四個開路短截線組成。較長的開路短截線和較短的開路短截線的電長度分別用θd和θg表示。根據文獻[14],當開路短截線和它們之間的連接線θe的總電長度等于半波長(θe+θd+θg=180°)時,該組合線可以等效為一個并聯諧振電路。當兩條較長的開路短截線之間的連接線的電長度為半波長,它可以作為串聯諧振電路。因此,圖4 中結構的等效電路是典型的三階帶通濾波器。

圖4 三階帶通濾波器的理想傳輸線模型Fig.4 Ideal transmission line model of the third-order bandpass filter

在文獻[15]的基礎上,得到了集中元件值與諧振器阻抗之間的關系。

式中:g1和g2為三階低通濾波器原型的元件值;Z0為終端阻抗。根據式(5)～(8),可從帶通濾波器的帶寬推導出短截線和連接線的特征阻抗。

此三階帶通濾波器控制第二通帶,中心頻率為4.2 GHz,同時保持較短的開路短截線和較長短截線之間的連接線的電長度可以獲得更好的結構特性,在較長的開路短截線(Z1,θd)上產生傳輸零點。

1.3 三通帶濾波器

將1.1 節和1.2 節中所設計的二階和三階帶通濾波器結合起來,可以得到一個三頻帶通濾波器,圖2二階帶通濾波器用于實現第一通帶f1,圖4 三階帶通濾波器用于實現第二通帶f2,而圖3 二階帶通濾波器用于實現第三通帶f3,當f3約為f1的三倍,f2約為f1的兩倍時,三個單帶通濾波器可以共用同一連接傳輸線(Z2,θf)。

為了減少三個單帶通濾波器之間的相互影響,應合理設計短截線的電長度。為了將開路短截線(Z1,θd)產生的傳輸零點置于通帶的中點,電長度θd應選擇為(f1+f2)/2處的四分之一波長。短路短截線的電長度θa應選擇在f2處約四分之一波長處,因此,短路短截線的輸入阻抗在f2處接近開路,此時短路短截線對第二通帶造成的加載影響可以忽略不計。同樣,選擇合適的開路短截線的電長度θg對第一通帶產生不顯著的影響,較短的開路短截線的電長度θh應盡可能小,這樣對第二通帶也不會產生明顯的影響。通過合理選擇短截線和連接線的阻抗和電長度,可以得到中心頻率分別為2.25,4.2,6.23 GHz 的三頻帶通濾波器。無損傳輸線電路的模擬由HFSS 15.0 仿真軟件進行,模擬的三頻濾波器和單頻帶濾波器的S參數如圖5 所示,結果表明三頻濾波器的每個通帶均與相應的單頻帶濾波器的通帶基本一致,符合要求。

2 濾波器設計及分析

為了驗證所提出的設計方法,設計了一款以2.25,4.2,6.23 GHz 為中心頻率的三通帶濾波器,選取相對介電常數εr為2.65,厚度H為1.0 mm 的介質基板進行仿真。三通帶濾波器的拓撲結構圖如圖6所示。開路短截線和微帶線都是為了小型化而彎曲的,連接微帶線和接地層的通孔用半徑為D的圓表示。經過HFSS 15.0 仿真優化處理,濾波器的具體尺寸為:L1=8.1 mm,L2=1.1 mm,L3=1.8 mm,L4=4.2 mm,L5=8.5 mm,L6=4.9 mm,L7=5.7 mm,L8=5.1 mm,L9=6.68 mm,L10=6 mm,L11=2 mm,L12=1.9 mm,W1=2.8 mm,W2=1 mm,W3=0.9 mm,D=0.5 mm。濾波器的電路尺寸為24.8 mm ×17.2 mm,相對尺寸為0.28λg×0.20λg,其中λg為最小通帶中心頻率所對應的導波波長。

圖5 三頻帶通濾波器中(a)二階濾波器f1,(b)三階濾波器f2和(c)二階濾波器f3的S 參數仿真曲線Fig.5 S-parameters simulation curves of (a)the second-order filter f1,(b)the third-order filter f2and (c)the second-order filter f3in the tri-band bandpass filter

基于上述濾波器分析可知,第一頻帶通過圖2 所示的二階帶通濾波器產生,如圖7(a)所示,第一個通帶的帶寬通過參數L6進行調控,只會改變第一個通帶的帶寬,并且它對其余通帶沒有任何影響。第二頻帶通過圖4 所示的三階帶通濾波器獲得,調控如圖7(b)所示,可以觀察到通過調節參數L11,它只會調整第二通帶的帶寬,而第一和第三通帶帶寬基本保持不變。第三頻帶通過圖3 所示的二階帶通濾波器控制,通過改變參數L12將僅影響第三通帶而不影響其他兩個頻帶的帶寬,調控如圖7(c)所示。可以看出該濾波器能夠獨立控制所有頻帶的帶寬。

圖6 三頻帶通濾波器拓撲結構圖Fig.6 Topological structure diagram of triple-band filter

圖7 三個通帶帶寬的調控。(a)第一帶寬的調控;(b)第二帶寬的調控;(c)第三帶寬的調控Fig.7 Regulation of the bandwidths of the three passbands.(a) Regulation of the first bandwidth;(b) Regulation of the second bandwidth;(c) Regulation of the third bandwidth

圖8 為濾波器的仿真結果。與圖5 中的仿真結果相比,在全波電磁仿真中,第一和第二通帶之間的兩個傳輸零點由較長的開路短截線(電長度為θd)產生。仿真結果表明,該濾波器的中心頻率分別為2.25,4.2,6.23 GHz,-3 dB 相對帶寬分別為54%(1.55～2.76 GHz),8%(4.09～4.41 GHz)和7%(5.98～6.40 GHz),通帶內回波損耗S11都優于12 dB,最小插入損耗S21優于-0.3 dB。三個通帶傳輸極點分別有2 個,1 個,2 個。

表1 列出了該濾波器與其他方法設計三頻帶通濾波器的性能進行比較。表1 清楚地表明本文所提出的濾波器在無線多頻段通信領域中具有緊湊的尺寸和良好的電性能優勢,并且可實現帶寬可控的濾波特性。

3 結論

本文設計了一種基于加載開路短路短截線的三通帶濾波器。在不增加電路尺寸的情況下,通過組合三個單頻帶帶通濾波器獲得三頻帶特性,并且每個通帶的帶寬都可以通過調節相應短截線的長度來控制。設計的濾波器的總電路尺寸為24.8 mm×17.2 mm(0.28λg×0.20λg),滿足小型化要求。該濾波器具有損耗低、帶寬可控、體積小、結構簡單的優點,適用于多頻段無線通信系統。

圖8 三通帶濾波器電磁仿真結果Fig.8 Electromagnetic simulation results of the triple-band filter

表1 與其他方法設計三頻帶通濾波器性能比較Tab.1 Performance comparison of the triple-band filters with other methods