具有高共模抑制特性的微帶差分帶通濾波器

張 勝,黃若琳,王寧寧,宋建宇,程德強(qiáng)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

0 引言

近年來,隨著通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,對(duì)于射頻前端器件性能的要求越來越高,濾波器作為射頻前端電路重要的組成部分,其性能好壞直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)[1-2]。與傳統(tǒng)的單端口電路相比,平衡電路可有效地抑制各種環(huán)境噪聲,從而達(dá)到良好的共模噪聲抑制效果[3-5],所以差分濾波器比雙端口濾波器具有更高的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的差分濾波器由1個(gè)雙端口濾波器和2個(gè)巴倫結(jié)構(gòu)組成,尺寸較大,并且會(huì)帶來額外損耗等問題,不適用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)[6]。因此設(shè)計(jì)不需巴倫結(jié)構(gòu),但仍可實(shí)現(xiàn)傳輸差模信號(hào)并抑制共模信號(hào)的差分濾波器具有重要的意義[7-8]。文獻(xiàn)[9]提出了一種具有高濾波選擇特性的多層平衡寬帶帶通濾波器,它由2個(gè)槽線階躍阻抗諧振器組成。通帶內(nèi)選擇性良好,但在差模通帶范圍內(nèi)共模抑制水平不理想。文獻(xiàn)[10]提出了一種緊湊的超寬帶差分帶通濾波器,采用H型縫隙線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了超寬帶濾波特性,同時(shí)引入源負(fù)載耦合,提高了通帶的選擇性,但插入損耗有待改善。文獻(xiàn)[11]提出了一種新型微帶雙頻濾波器,采用一對(duì)折疊的開路枝節(jié)加載諧振器和一對(duì)縫隙線實(shí)現(xiàn)零度饋電,具有良好的共模抑制特性,但只產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn),通帶內(nèi)選擇性不理想。

本文采用枝節(jié)加載諧振器(FSLR)和1對(duì)折疊的平行耦合線結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、共模抑制良好的差分帶通濾波器,并對(duì)該濾波器進(jìn)行加工、測(cè)試。結(jié)果表明,仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致,均表現(xiàn)出良好的共模抑制特性。

1 濾波器的設(shè)計(jì)

1.1 差模通帶與共模抑制特性分析

圖1為本文提出的微帶差分帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。該濾波器采用微帶-縫隙線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電,頂層主要由1個(gè)FSLR結(jié)構(gòu)和1對(duì)折疊的平行耦合線結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)濾波特性,如圖1(a)所示。底層的縫隙線結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。差分帶通濾波器的具體尺寸如表1所示。

表1 濾波器的參數(shù)值

圖1 差分帶通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

由于微帶-縫隙線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具有固有的共模抑制特性,當(dāng)差模激勵(lì)時(shí),在縫隙線的對(duì)稱面上形成理想電壁,如圖2(a)所示。圖中箭頭表示微帶線和縫隙線中電場(chǎng)的方向,此時(shí)電場(chǎng)垂直于對(duì)稱面,與縫隙線中的電場(chǎng)分布相匹配,可完成微帶到縫隙線的傳輸,從而形成差模通帶;而當(dāng)共模激勵(lì)時(shí),在對(duì)稱面上形成的理想磁壁如圖2(b)所示,縫隙線模式中的電場(chǎng)均垂直于磁壁,相互抵消,從而抑制了共模的傳輸[12-13],所以采用該結(jié)構(gòu)能更好地抑制共模信號(hào)。本文采用階梯阻抗型縫隙線,通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)縫隙線的長(zhǎng)度和寬度,可減少傳輸過程中的損耗。

圖2 微帶-縫隙線結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)方向圖

FSLR結(jié)構(gòu)由1個(gè)對(duì)稱的折疊均勻阻抗諧振器(FUIR)加載1個(gè)T型枝節(jié)組成。在偶模信號(hào)激勵(lì)下,對(duì)稱面等效為理想磁壁,看作開路;在奇模信號(hào)激勵(lì)下,對(duì)稱面等效為理想電壁,看作短路,所以在對(duì)稱面上加載任何電路結(jié)構(gòu)均未對(duì)電路的差模響應(yīng)產(chǎn)生影響,僅改變共模響應(yīng)。相應(yīng)的奇、偶模等效電路如圖3所示,對(duì)應(yīng)的奇、偶模諧振頻率分別為

圖3 FSLR的奇偶模等效電路

(1)

(2)

式中:L1為λ/4(λ為波長(zhǎng))微帶線長(zhǎng)度;L2為開路加載枝節(jié)的長(zhǎng)度;c為自由空間中的電磁波速;n=1,2,…。

通過在FSLR兩側(cè)引入1對(duì)平行耦合線結(jié)構(gòu),可額外獲得1個(gè)諧振頻率,如圖4(a)所示。諧振器間的電磁混合耦合在通帶的右側(cè)3.8 GHz處產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn),如圖4(b)所示。濾波器的回波損耗特性和通帶選擇性均得到明顯改善。

圖4 有無平行耦合線對(duì)S參數(shù)的影響

1.2 差分帶通濾波器的性能分析

調(diào)整諧振器的尺寸可改變?yōu)V波器的帶寬和中心頻率,中心頻率和帶寬隨FSLR的長(zhǎng)度l1和平行耦合線的長(zhǎng)度l3的變化如圖5所示。隨著l1增加,中心頻率(f0)向低頻處移動(dòng),帶寬變寬;隨著l3增加,f0向低頻處移動(dòng),帶寬變窄。同時(shí)調(diào)節(jié)l1、l3的尺寸,還可獨(dú)立調(diào)節(jié)左右兩側(cè)傳輸零點(diǎn)的位置。隨著l1的增加,通帶左側(cè)傳輸零點(diǎn)向低頻處移動(dòng),而右側(cè)保持不變,如圖6(a)所示。隨著l3的增加,通帶右側(cè)傳輸零點(diǎn)向低頻處移動(dòng),左側(cè)保持不變,如圖6(b)所示。適當(dāng)調(diào)整濾波器的尺寸可得到所需中心頻率和帶寬。

圖5 尺寸變化對(duì)中心頻率和帶寬的影響

圖6 尺寸變化對(duì)Sdd21的影響

2 濾波器的加工與測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的差分濾波器整體尺寸為26 mm×49.2 mm,采用相對(duì)介電常數(shù)為2.2的Rogers RT/duroid 5880的介質(zhì)基片,介質(zhì)損耗角正切為0.000 9,介質(zhì)層厚度為0.787 mm。為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方法的可行性,對(duì)設(shè)計(jì)的差分帶通濾波器進(jìn)行加工,實(shí)物如圖7所示。使用測(cè)量范圍為10 MHz～43.5 GHz的Keysight N5234B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試。

圖7 濾波器的實(shí)物圖

仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果二者基本吻合,如圖8所示。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果存在的誤差主要是由于加工以及SMA接頭焊接產(chǎn)生的損耗造成的。中心頻率為3 GHz,3 dB帶寬為28.67%,最小插入損耗為1.28 dB,回波損耗優(yōu)于20 dB,共模抑制均優(yōu)于37 dB。在差模通帶兩側(cè)各產(chǎn)生了1個(gè)傳輸零點(diǎn),分別位于2.28 GHz和3.80 GHz,2個(gè)傳輸零點(diǎn)均可獨(dú)立調(diào)節(jié),改善了濾波器的帶外抑制特性。表2為差分帶通濾波器性能對(duì)比。由表可看出,與其他文獻(xiàn)中差分濾波器相比,本文所提出的差分帶通濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,插入損耗較低,通帶選擇性較好及共模抑制水平較高等優(yōu)點(diǎn)。

表2 差分帶通濾波器性能對(duì)比

圖8 濾波器的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

3 結(jié)束語

本文采用1個(gè)FSLR和1對(duì)平行耦合線結(jié)構(gòu),使用微帶-縫隙線饋電方式設(shè)計(jì)了一款具有高共模抑制、中心頻率可調(diào)的差分帶通濾波器,其中共模抑制水平優(yōu)于37 dB,且通帶兩側(cè)各產(chǎn)生1個(gè)傳輸零點(diǎn)。該差分帶通濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工,可廣泛應(yīng)用于差分無線通信系統(tǒng)中,具有廣闊的應(yīng)用前景。