基于T 型雙模諧振器的新型三通帶濾波器設計

(上海海事大學信息工程學院,上海 201306)

隨著現代無線通信技術的飛速發展,將不同頻段的各種通信方式(如全球導航衛星系統、全球移動通信系統、無線局域網、信息管理系統和射頻識別等)集成在一個單元中,對微波研究人員來說是一項具有挑戰性的工作。對于上述應用,多波段帶通濾波器是將不同通信模式集成到一個設備中而不受干擾的不可缺少的元件[1-5]。文獻[6]提出的三模SLRs(Stub Loaded Resonators)三頻濾波器具有良好的頻率帶寬,但電路尺寸大與使用多個諧振器的設計相關聯是主要缺點。另外,在通帶之間只有兩個傳輸零點,濾波器的選擇性非常差。文獻[7]在Rogers-RO5880TM 襯底上設計并制作了一種基于雙模SLRs 的三頻濾波器,該濾波器的優點是在通帶的兩邊上激勵5 個傳輸零點,但是電路面積更大。文獻[8]建立了一種基于三個單波段濾波器組合在一起使用高溫超導材料的新型三頻濾波器模型,該濾波器具有良好的插入損耗,所有頻帶都是獨立控制的。但是由于使用了三個單波段濾波器,電路尺寸大大增加。此外,該濾波器包裝在一個鍍金的盒子里,會大大增加實物制造成本。文獻[9]采用多層結構的三頻濾波器,該濾波器的頻率帶寬良好,但插入損耗高,體積大,電路尺寸和多層結構使得制造過程更加復雜。綜上所述,設計一種適用于手持式應用的超緊湊、高選擇性的小型化三頻帶通濾波器[10]仍然是微波濾波器設計領域的一個具有挑戰性的課題。

本文設計了一種基于T 型雙模四分之一波長諧振器的新型三頻帶通濾波器。第一工作頻帶由直接饋電諧振器獲得,該諧振器與工作在高頻段的內部兩個諧振器構成源-負載耦合。最外部的諧振器耦合到內部加載的諧振器上,諧振器之間的耦合在每個通帶之間產生一對傳輸零點,從而產生高頻選擇性。所有諧振器折疊并通過一個普通金屬通孔與地面連接,使濾波器總尺寸達到最小。這種設計的主要優點是可以在不改變中心頻率的情況下根據期望阻帶頻率控制所有的傳輸零點。該設計具有對稱結構,因此采用奇偶模分析法對三個工作頻段進行了分析。通過軟件仿真優化、實物加工測試對該濾波器進行了驗證。

1 諧振器分析

圖1 為設計的濾波器的T 型雙模四分之一波長諧振器結構圖[11],其中每個諧振器由兩個開路截線和一個短路截線組成,開路截線的特性導納和長度分別為Y1和L1,短路截線的特性導納和長度分別為Y2和L2。

由于該設計具有A-A′對稱結構[12],因此采用奇偶模分析法[13]對三個可控工作頻帶進行了預測。第一、第二和第三通帶分別通過諧振器“A”、“B”和“C”設計,相應的等效奇偶模電路如圖2(a)-(f)所示,而所提出的濾波器拓撲結構如圖3 所示。此外,諧振器“A”充當直接饋電諧振器,并為諧振器“B”和“C”提供加載耦合的源。參考微波電路理論[14]可計算諧振器“A”的特征輸入導納的方程,并由式(1)給出。

圖1 (a) 等效T 型四分之一波長諧振器結構圖;(b) 等效奇模結構圖;(c)等效偶模結構圖Fig.1 (a) Structure diagram of equivalent T-type quarter-wavelength resonator;(b) Structure diagram of equivalent odd mode;(c) Structure diagram of equivalent even mode

式中:Yin為微帶傳輸線的特征輸入導納;YL為負載導納;θ=π/2 對應于四分之一波長傳輸線。通過θ=βL,式(1)可以寫成:

式中:β=2π/λg為傳播常數,λg為導波波長;L為短路截線的電長度。對于諧振器“A”,第一個偶模輸入導納Yin,even1和諧振頻率feven1可以通過短路截線的長度L16來計算。通過YL=α和,式(2)變成:

式中:Yin-shorted為長度為L16的短路截線的輸入導納。將Yin-shorted和Y0=Y1的值放入式(1)中,利用圖2(a),得到Yin,even1的方程:

式中:θ1=βL1,θ2=βL2,θ3=βL3,θ4/2=βL4/2,θ16=βL16。在共振Yin,even1=0 時,第一個偶模諧振頻率feven1的對應方程為:

式中:c=3×108m/s 為光速;n=1,2,3,…;εeff為介質基板的有效介電常數,由式(6)得出:

式中:εr為相對介電常數;w和h分別為基板材料的寬度和高度。

圖2 (a～b)諧振器“A”奇偶模等效電路;(c～d)諧振器“B”奇偶模等效電路;(e～f)諧振器“C”奇偶模等效電路Fig.2 (a-b) Resonator "A" odd-even mode equivalent circuit;(c-d) Resonator "B" odd-even mode equivalent circuit;(e-f)Resonator "C" odd-even mode equivalent circuit

圖3 三頻帶通濾波器拓撲結構圖Fig.3 Topological structure diagram of triple-band filter

同樣,對于奇模,傳輸線在對稱處短路,因此,通過將Y0=Y1和YL=∞代入式(1)中,并使用圖2(b)得到輸入導納Yin,odd1,如式(7)所示:

同理,在共振Yin,odd1=0 時,第一個奇模諧振頻率fodd1的對應方程為:

使用相同的方法,諧振器“B”和“C”的奇偶模諧振頻率的方程可以借助圖2(c)-(f)和式(9)-(13)所示的微波理論方程[15]來計算:

2 濾波器設計

基于上述T 型雙模四分之一波長諧振器理論分析,通過HFSS 15.0 仿真設計及優化處理,設計了一款新型三通帶濾波器(拓撲結構如圖3 所示)。三通帶濾波器的尺寸參數大小具體見表1。

基于上述諧振器分析可得,第一頻帶通過參數L3進行調控,只會改變第一個通帶,對其余頻帶幾乎沒有影響,如圖4(a)所示。第二頻帶通過諧振器B 獲得,調控如圖4(b)所示,通過改變參數L6,它只會調低第二通帶,而第一和第三頻帶基本保持不變。第三頻帶通過諧振器C 控制,通過改變參數L10將只影響第三通帶,而幾乎不影響其他兩個頻帶,調控如圖4(c)所示。從而驗證了該濾波器具有獨立控制所有頻帶的能力。

表1 三通帶濾波器的尺寸參數Tab.1 Size parameters of the triple-band filter mm

圖4 3 個通頻帶中心頻率的調控。(a)f1的調控;(b)f2的調控;(c)f3的調控Fig.4 Regulation of the center frequencies of the three passbands.(a) Regulation of f1;(b) Regulation of f2;(c) Regulation of f3

第二個優點是根據通帶兩側的期望阻帶頻率控制傳輸零點。如圖5 所示,通過改變參數t將只影響傳輸零點的位置,而不改變基本諧振頻率。此特性使所提出的濾波器優于文獻[6-9]中報道的其他濾波器。通過以下方法引入六個傳輸零點,TZ2和TZ4是由對稱開路截線之間的電耦合(L3,W1)或間隙G產生,TZ1和TZ5由源-負載耦合產生,TZ6由金屬通孔直徑產生,TZ3是諧振器的固有傳輸零點。

3 濾波器的制作與測試

選取相對介電常數εr為2.65,基板厚度H為1.0 mm 的介質基板F4B 對所設計的三通帶濾波器進行加工,加工所得實物照片如圖6 所示。其中L13、L14和L16為諧振器“A”、“B”和“C”的復用段,濾波器的尺寸為22.0 mm×22.1 mm,相對尺寸為0.10λg×0.10λg,λg是最小通頻帶中心頻率的導波波長。

使用羅德ZNB8 矢量網絡分析儀對三通帶濾波器實物進行測試,全波電磁仿真結果與實物測試結果分別如圖7 和圖8 所示,濾波器的插入損耗為S21,回波損耗為S11。

圖5 參數t 對傳輸零點的影響Fig.5 Effect of parameter t on the transmission zeros

圖6 三通帶濾波器實物圖Fig.6 Photograph of the tri-band bandpass filter

圖7 仿真結果中,三頻帶通濾波器的工作頻率分別為0.84,1.59,2.63 GHz,-3 dB 相對帶寬分別為63.1%(0.45～0.98 GHz),16.4%(1.48～1.74 GHz),6.8%(2.55～2.73 GHz),每個通帶的回波損耗都優于20 dB,插入損耗分別為0.07,0.23,0.43 dB。圖8實測結果中,三頻帶通濾波器的工作頻率分別為0.84,1.69,2.71 GHz,-3 dB 相對帶寬分別為63.1%(0.45～0.98 GHz),16.4%(1.58～1.84 GHz),6.8%(2.63～2.81 GHz),插入損耗分別為1.19,2.07,2.91 dB,測得的每個通帶內回波損耗都優于18 dB。由圖7 和圖8 對比可知,實測結果與仿真結果基本一致,兩者之間的差別是由于加工精度導致短路通孔存在一定的偏差和焊接SMA 接頭時的制造誤差造成的。

圖7 所提出三通帶濾波器電磁仿真結果Fig.7 Electromagnetic simulation results of the proposed triple-band filter

兩個50 Ω 饋線用作輸入/輸出端口,并連接在濾波器的兩側。通過仿真優化調整參數,分別在1.11,1.22,2.17,2.48,2.80 和2.89 GHz 產生了6 個傳輸零點,從而提高濾波器的3 dB 衰減性能和阻帶性能,在三個通帶之間產生高選擇性和高隔離度。

表2 列出了該濾波器與一些已發表文獻的其他方法設計三頻帶通濾波器在中心頻率、插入損耗、通帶可控、傳輸零點和電路尺寸方面的性能比較。結果表明,該濾波器具有體積小、電學性能好的特點,適用于現代無線多頻段通信領域。

圖8 所提出三通帶濾波器實物測試結果Fig.8 Physical test results of the proposed triple-band filter

表2 與其他文獻設計三頻帶通濾波器性能比較Tab.2 Performance comparison of the triple-band filters with other literatures

4 結論

本文提出并分析了一種基于對稱雙模四分之一波長諧振器的新型超緊湊三通帶濾波器。為了實現三頻帶響應,采用三個四分之一波長諧振器獲得了3 個可控工作頻率,所提出的技術引入6 個傳輸零點,通帶兩側傳輸零點根據期望阻帶工作頻率可控,從而在三個通帶之間產生高選擇性和高隔離度。通過對實物進行加工測試,仿真與實測結果基本一致,驗證了設計方法。該濾波器的總電路尺寸為22.0 mm×22.1 mm(0.10λg×0.10λg),與50 Ω 饋線無關,滿足了小型化和低損耗要求。因此,該三通帶濾波器的性能和緊湊的尺寸使其在現有的多頻段無線通信應用中具有吸引力和很好的集成潛力。