小型化諧波抑制雙模方形貼片帶通濾波器

金秀梅， 李民權(quán)， 劉 坤， 孫家訓(xùn)

（安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230039）

在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中——特別是在射頻和移動(dòng)通信系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)緊湊的高性能帶通濾波器扮演著越來(lái)越重要的角色。隨著集成電路的發(fā)展，無(wú)線通信設(shè)備日趨小型化，加之頻譜資源有限，更加迫切需要小型化、通帶損耗低和帶外諧波抑制度高的帶通濾波器［1－2］。近年來(lái)，小型化和低損耗成為人們爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)，可以使濾波器固有階數(shù)減半的雙模濾波器備受關(guān)注。因此，各種結(jié)構(gòu)的雙模濾波器應(yīng)運(yùn)而生［3－10］，如方形貼片、圓形貼片、三角形貼片和微繞環(huán)狀諧振器結(jié)構(gòu)的雙模濾波器。文獻(xiàn)［3］首次提出將雙模的理念應(yīng)用到平面濾波器設(shè)計(jì)中，并成功設(shè)計(jì)出雙模帶通濾波器。雙模濾波器主要是在單腔諧振器中利用微擾結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一對(duì)簡(jiǎn)并模，在實(shí)際電路中可以等效為雙調(diào)諧電路，即單腔同時(shí)可以產(chǎn)生2個(gè)諧振頻率點(diǎn)，通過(guò)微擾的形式使得這2個(gè)頻率適當(dāng)?shù)胤蛛x并相互耦合［4－5］。

本文采用較大介電常數(shù)的高頻PCB介質(zhì)板材，運(yùn)用L形輸入輸出諧振器。在方形貼片上嵌入方塊狀腐蝕結(jié)構(gòu)作為微擾源，設(shè)計(jì)了一種方形貼片開十字交叉槽和開矩形窗口的雙模帶通濾波器。這種開槽結(jié)構(gòu)有效地增加了基波的電流路徑，同時(shí)可使二次諧波的電流路徑保持不變，不僅有效加大了2種模式的隔離度，而且實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化。仿真結(jié)果表明，該濾波器性能良好，通帶兩側(cè)產(chǎn)生了2個(gè)傳輸零點(diǎn)，大大提高了帶外的抑制度；L形饋電結(jié)構(gòu)也可引入一個(gè)傳輸零點(diǎn)，很好地延遲了寄生通帶，可使寄生通帶出現(xiàn)在3倍頻之后。

1 濾波器設(shè)計(jì)

1.1 單模結(jié)構(gòu)諧波抑制帶通濾波器的設(shè)計(jì)

圖1所示為開槽處理的單模帶通濾波器平面拓樸結(jié)構(gòu)，即在傳統(tǒng)的方形貼片單模諧振器上開2個(gè)十字交叉縫隙，輸入／輸出端采用L形諧振臂。為了減小濾波器的體積，對(duì)L形諧振臂進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹澢幚怼Ｖ圆捎檬终婚_縫和L形諧振器，是為了引入傳輸零點(diǎn)，提高濾波器的帶外選擇性能［7－8］，以獲得較好的帶外諧波抑制度。

圖1 單模結(jié)構(gòu)帶通濾波器平面結(jié)構(gòu)

利用Ansoft公司的基于電磁場(chǎng)有限元方法的高頻電磁仿真軟件HFSS對(duì)其進(jìn)行三維建模，介質(zhì)基板采用RogersRT6101，其介電常數(shù)為10.2，厚度h＝1.2mm，銅箔厚度0.035mm。濾波器的輸入／輸出端口阻抗為50Ω；正方形貼片的邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，矩形槽的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，正方形微擾切槽的邊長(zhǎng)為t。輸入／輸出諧振臂與貼片間的距離為0.2mm，改變諧振臂與方形貼片之間的距離可以相應(yīng)地改變帶通濾波器的耦合度。為了減小插損，方形貼片的4個(gè)拐角做切角處理。

圖2所示展示了不同槽線長(zhǎng)度L1對(duì)應(yīng)于不同基模的諧振頻率，同時(shí)通過(guò)適當(dāng)調(diào)整槽線長(zhǎng)度L1可相應(yīng)地引入傳輸零點(diǎn)，控制帶外的諧波，而槽線長(zhǎng)短的變化對(duì)高次諧波分量幾乎沒(méi)有影響。隨著槽線長(zhǎng)度L1的增加，帶通濾波器的基波諧振頻率相應(yīng)地降低，與傳統(tǒng)方形貼片雙模濾波器相比，可以通過(guò)此方法減小濾波器體積，故選擇適當(dāng)?shù)牟劬€可以使方形貼片濾波器實(shí)現(xiàn)小型化和良好的諧波抑制。

圖2 不同縫隙長(zhǎng)度下的濾波器S（2，1）參數(shù)

1.2 雙模結(jié)構(gòu)諧波抑制帶通濾波器的設(shè)計(jì)

諧波抑制方形貼片雙模帶通濾波器的平面結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用輸入／輸出端正交饋電結(jié)構(gòu)、方形貼片切角形式以降低損耗；L形饋電臂引入傳輸零點(diǎn)以增加帶外諧波抑制；貼片開十字正交槽線以實(shí)現(xiàn)小型化和諧波抑制；通過(guò)細(xì)槽線鏈接的2個(gè)方形切槽對(duì)角排列作為微擾源，產(chǎn)生一對(duì)正交化簡(jiǎn)并模式。采用這種結(jié)構(gòu)的雙模諧振器很好地實(shí)現(xiàn)了小型化和通帶外高次諧波抑制，性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方形貼片雙模濾波器［11］。

圖3 雙模結(jié)構(gòu)帶通濾波器平面結(jié)構(gòu)

2 仿真結(jié)果及分析

借助三維電磁仿真軟件HFSS11進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，其三維模型的主要尺寸見表1所列。

表1 帶通濾波器主要結(jié)構(gòu)尺寸 mm

圖4所示給出了變量L2的不同取值情況下，雙模帶通濾波器的S（2，1）圖形，選擇合適的L2值可以在通帶外相應(yīng)地引入傳輸零點(diǎn)，得到較好的帶外諧波抑制度。

圖4 不同L2長(zhǎng)度下的濾波器S（2，1）參數(shù)

通過(guò)軟件的多次仿真優(yōu)化，雙模帶通濾波器的S參數(shù)曲線如圖5所示。仿真結(jié)果表明，所提出的雙模帶通濾波器性能優(yōu)越，中心頻率為1.56GHz，帶內(nèi)最大插損小于1.5dB，帶外諧波抑制良好，諧波被抑制到－30dB以下，寄生通帶被推移到基波的3倍頻以外，諧波中心頻率出現(xiàn)在4.7GHz左右，所提出的濾波器性能優(yōu)于文獻(xiàn)［7］中提出的濾波器。

圖5 濾波器仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)平面微帶方形貼片雙模諧振器的基礎(chǔ)上，提出一種開有十字交叉槽的貼片諧振器結(jié)構(gòu)；通過(guò)開方孔添加微擾的方式和設(shè)置L形饋電輸入／輸出的模式，結(jié)合十字交叉槽引入傳輸零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一款性能良好的小型化諧波抑制雙模帶通濾波器；具體分析了該濾波器的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其特性曲線的影響規(guī)律。它可以應(yīng)用于平面微波電路的設(shè)計(jì)當(dāng)中，并對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)中濾波器的研究與設(shè)計(jì)具有較大的參考價(jià)值，應(yīng)用前景十分廣闊。

［1］李俊鵬，楊明武.一種含鏡頻抑制作用的微帶發(fā)卡濾波器的設(shè)計(jì) ［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32（4）：550－552.

［2］王 凱，李 楠，楊明武.基于FDTD算法的環(huán)狀蝶式雙模濾波器［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，30（7）：908－911.

［3］Wolff I.Microstrip bandpass filter using degenerate modes of a microstrip ring resonator［J］.Electronics Lett，1972，8（12）：302－303.

［4］黃曉東，程崇虎.直接饋電的小型化微帶雙模帶通濾波器［J］.微波學(xué)報(bào)，2010，26（3）：52－55.

［5］Gorur A.Description of coupling between degenerate modes of a dual－mode microstrip loop resonator using a novel perturbation arrangement and its dual－mode bandpass filter applications［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2004，52（2）：671－677.

［6］Kuo J T，Chen S P，Jiang M.Parallel－coupled microstrip filters with over－coupled end stages for suppression of spurious responses ［J］.IEEE Trans Microw Wirel Compon Lett，2003，13：440－442.

［7］Singh Y K，Chakrabarty A.Miniaturized dual－mode circular patch bandpass filters with wide harmonic separation［J］.IEEE Trans Microw Wirel Compon Lett，2008，18（9）：584—586.

［8］Griol A，Mira D，Marti J，et al.Microstrip side－coupled ring bandpass filters with mode coupling control for harmonic suppression［J］.Electron Lett，2004，40：943－945.

［9］Tu W H，Chang K.Miniaturized dual－mode bandpass filter with harmonic control［J］.IEEE Microw Wirel Compon Lett，2005，15：838—840.

［10］Li J Y，Chi C H，Chang C Y.Synthesis and design of generalized Chebyshev wideband hybrid ring based bandpass filters with a controllable transmission zero pair［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2010，58（12）：3720－3731.

［11］Hong J S，Lancaster M J.Microstrip filters for RF／Microwave applications［M］.New York：Wiley，2001：404－420.