基于梳狀型SLR 的新型四通帶濾波器設計

張友俊,彭 姚

(上海海事大學 信息工程學院,上海 201306)

隨著現代通信技術的不斷革新,微帶濾波器因具有兼容性強、體積小、制作簡單等優勢在射頻系統中被廣泛應用。目前關于雙通帶和三通帶的濾波器研究相對較多[1-4],但對四通帶的研究還存在可控程度有限、帶內外性能難以兼顧、結構相對較復雜等問題[5-12]。文獻[5]利用多模諧振器在形成三通帶的基礎上外嵌T 型諧振器產生四通帶,插入損耗較低,但也因此干擾多模諧振器的正常工作模式,不再具備通帶可控的性能。文獻[6]所設計的四通帶濾波器采用了λ/4 諧振器,使用零度饋線結構引入額外的傳輸零點,實現對帶外抑制水平的調節,但不能對各通帶中心頻率進行調控,因而在實際應用中缺乏靈活性。文獻[7]采用感性源與負載加載兩對枝節諧振器的結構形成四通帶效果,具有較好的帶外抑制度,但插入損耗較大,容易導致信號失真。文獻[8]基于四模階躍阻抗諧振器結構設計的四通帶濾波器,在輸入/輸出端口與諧振器之間采用多路徑耦合的方式,使得通帶間具有較高的隔離度,但導致濾波器的結構比較復雜,不易加工。所以,設計一款兼具通帶可控、插損較低、帶內外性能佳、結構簡單緊湊的四通帶濾波器在目前研究中仍是一個較大的挑戰。

本文提出一種新型的基于梳狀型枝節加載諧振器(SLR)的四通帶濾波器。通過分析梳狀型SLR 工作原理得到四條諧振路徑,通過調控相關參數實現對各通帶中心頻率的控制。通過調節內部耦合系數和外部耦合線長度達到控制帶寬的功能。并將所提出的理論通過電磁仿真軟件HFSS 15.0 進行驗證。

1 梳狀型枝節加載諧振器分析

本文所提出的梳狀型枝節加載諧振器(SLR)結構拓撲如圖1 所示。該諧振器由一條主傳輸線上加載四個開路枝節和一個短路枝節組成,具有對稱結構,因而可以用奇偶模分析法[13]進行分析。利用奇偶模分析法得到圖2(a)和(b)。從圖2(a)可以看出,該奇模電路圖有兩條諧振路徑,如圖3(a)和(b)所示。類似地,偶模電路也有兩條諧振路徑,如圖3(c)和(d)所示。圖中Mi為各傳輸線的長度,Yi為各傳輸線段對應的特性導納。

圖1 梳狀型SLR 結構拓撲圖Fig.1 Topological diagram of comb-shaped SLR

圖2 奇偶模等效電路。(a)奇模;(b)偶模Fig.2 Even-mode equivalent circuit.(a) Odd-mode;(b) Even-mode

圖3 四條諧振路徑。(a)奇模諧振路徑1;(b)奇模諧振路徑2;(c)偶模諧振路徑1;(d)偶模諧振路徑2Fig.3 Four resonance paths.(a) Odd-mode resonance path 1;(b) Odd-mode resonance path 2;(c) Even-mode resonance path 1;(d) Even-mode resonance path 2

由上述可知,四條諧振路徑對應四種諧振模式,奇模路徑1 的輸入阻抗對應Yin,odd1,奇模路徑2 輸入阻抗為Yin,odd2,類似地,偶模路徑1 和2 輸入阻抗分別為Yin,even1和Yin,even2,θi=Mi β,式中i為0,1,2,3,4;θ為電長度;β為傳播常數。根據文獻[14-15]可分別計算出四條諧振路徑對應的輸入阻抗為:

當圖3 中各電路諧振時,四條路徑的諧振頻率計算如下:

式中:c為光速;n為1,2,3,4;εeff為介質基板的有效介電常數。

四條諧振路徑對應四個諧振模式,即Moden=fn(n=1,2,3,4),令f1為fodd1,f2為feven1,f3為fodd2,f4為feven2,各個頻率由不同的參數控制如表1 所示。

表1 各諧振模式相關參數Tab.1 Related parameters of each resonance mode

由表1 可知,可以先通過調節M2控制f1、f2,再調節M3控制f3,最后調節M0控制f4。通過改變各模式相應參數,實現對通帶中心頻率的調控。

2 濾波器設計

基于上述梳狀型SLR 結構,設計了一款四通帶濾波器,拓撲結構如圖4 所示。所設計的濾波器由內外兩部分組成,內部是梳狀型SLR 的異形結構,外部是兩個對稱的C-型微帶線,微帶線用于提供源與負載的耦合激勵,使濾波器能夠正常工作。

圖4 四通帶濾波器結構拓撲圖Fig.4 Topological structure diagram of quad-band filter

2.1 通帶帶寬的調節

濾波器的各通帶帶寬受耦合系數和外部品質因數Qe影響。耦合系數由諧振器內部的耦合決定,各頻段的耦合系數為Kn,Kn由不同的參數控制,如表2 所示。外部品質因素由C-型耦合線(L8+L9+L10+L11+L12)、饋線長度L0和間隙G2決定。從表2 中可以得到,一、二通帶主要受G1和L6調控,三、四通帶主要受L12和G2影響。圖5 為不同G1下的第一、二通帶S21參數圖。由圖5 可知,G1越大,第一通帶帶寬越大,第二通帶帶寬越小,并且隨著G1增大兩傳輸零點的位置也隨之偏移。而第三、四通帶主要由外部耦合線影響通帶的帶寬,圖6 所示為改變內折耦合線L12的S21參數變化。從圖6 中可以看到,第三通帶隨著L12的增大而增大,第四通帶則相反。

表2 各通帶耦合系數相關參數Tab.2 Coupling coefficient related parameters of each passband

圖5 不同G1下的頻率響應Fig.5 The frequency response under different G1

圖6 不同L12下的頻率響應Fig.6 The frequency response under different L12

2.2 頻帶中心頻率的調控

根據所提出的梳狀型SLR 四個工作模式,結合通帶帶寬的分析,綜合濾波器小型化的考慮,對各諧振路徑進一步設計,得到濾波器具體拓撲參數:M0(LS),M1(L1),M2(L2+L5+L6),M3(L3),M4(L4+L7)。使用仿真軟件HFSS 15.0 進行優化,通過改變參數L5,先調節第一通帶的中心頻率,再調整參數L2控制第二通帶中心頻率,L3控制第三通帶中心頻率,LS控制第四通帶中心頻率。圖7(a)～(d)所示為濾波器各通帶中心頻率調節的過程。

圖7 濾波器各通帶的調控過程。(a)f1的調控;(b)f2的調控;(c)f3的調控;(d)f4的調控Fig.7 The regulation process of each passband of the filter.(a) Regulation of f1;(b) Regulation of f2;(c) Regulation of f3;(d) Regulation of f4

2.3 四頻帶通濾波器

基于上述分析,選取相對介電常數εr為2.65,板材厚度為1 mm 的介質基板,兩個50 Ω 饋線用作輸入/輸出端口,通過不斷優化,得到四通帶濾波器的最終仿真結果如圖8 所示,各參數具體尺寸見表3,濾波器的總電路尺寸為23.3 mm×29.6 mm(0.2λg×0.25λg,λg為最小通帶中心頻率的波長)。仿真結果顯示,四個通帶的中心頻率分別為1.55,2.44,3.18和4.41 GHz,插入損耗分別為0.35,0.34,1.53 和1.1 dB,回波損耗分別為28.5,17.8,28.3 和18.0 dB。頻帶上有四個傳輸零點和五個傳輸極點,具有較好的帶內選擇性和帶外抑制度。

表3 四通帶濾波器各參數尺寸Tab.3 Dimensions of the parameters of the quad-band pass filter mm

圖8 四通帶濾波器最終仿真結果圖Fig.8 Final simulation result of quad-band filter

為了進一步驗證濾波器各通帶分析,給出了四個中心頻率下的電流分布如圖9 所示。圖9(a)和(b)分別是第一通帶和第二通帶中心頻率下的電流分布圖,由圖可知,路徑M2以及間隙G1間的耦合為兩通帶作出主要貢獻;圖9(c)中貢獻較大的是路徑M3與外部微帶線間的耦合;圖9(d)中對第四通帶貢獻較大的是路徑M0以及M4與C-型耦合線內折部分的耦合。四張電流分布圖表明上述關于通帶帶寬和中心頻率分析的合理性。表4 列出所設計的濾波器與其他幾種四通帶濾波器性能的比較,由表可見,此設計具有更低的插損,并且僅使用單個諧振器實現通帶可控,這是其他濾波器所不具備的。

表4 與其他四通帶濾波器的性能比較Tab.4 Performance comparison with other quad-band filters

圖9 不同頻率下的電流分布圖。(a)f1為1.55 GHz;(b)f2為2.44 GHz;(c)f3為3.18 GHz;(d)f4為4.41 GHzFig.9 Current distribution diagram at different frequencies.(a) f1=1.55 GHz;(b) f2=2.44 GHz;(c) f3=3.18 GHz;(d) f4=4.41 GHz

3 結論

本文設計了一種基于梳狀型SLR 的四通帶濾波器。通過采用源與負載耦合和路徑復用的方式,實現對濾波器各通帶性能的控制。通過仿真可驗證,各通帶的插入損耗都低于1.53 dB,回波損耗皆優于17.8 dB,整體電路尺寸為23.3 mm×29.6 mm(0.2λg×0.25λg),與其他方法所設計的濾波器相比,此濾波器結構簡單緊湊、插損較低、通帶可控、帶內外性能較好,其性能符合現代多頻通信系統的要求,具有較大的應用前景。