一種基于耦合矩陣的新型帶通濾波器

高 山, 肖中銀, 陳文峰

(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,上海 200072)

一種基于耦合矩陣的新型帶通濾波器

高 山, 肖中銀, 陳文峰

(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,上海 200072)

提出一種新型的具有 2個(gè)傳輸零點(diǎn)的微帶帶通濾波器 (bandpass filter,BPF).該濾波器采用 2個(gè)新型慢波諧振器,具有較寬的上阻帶帶寬.該濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,由于利用“N+2”耦合矩陣的方法而呈現(xiàn)出較高的頻率選擇性.測(cè)量結(jié)果表明,該濾波器具有良好的響應(yīng)特性,在中心頻率 2.4 GHz處的插入損耗為 1.66 dB,上阻帶頻率達(dá)到 7.0 GHz.實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果具有良好的一致性.

帶通濾波器;慢波諧振器;耦合矩陣;傳輸零點(diǎn)

本工作提出一種新型的應(yīng)用于 2.4 GHz無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)的二階濾波器.2個(gè)新型慢波諧振器及其相應(yīng)的饋線結(jié)構(gòu)可以方便地調(diào)節(jié)外部品質(zhì)系數(shù).同時(shí),引入源和負(fù)載之間的耦合能夠?qū)崿F(xiàn) 2個(gè)可控的傳輸零點(diǎn).由于采用了“N+2”耦合矩陣的方法,該濾波器易于設(shè)計(jì)和優(yōu)化.測(cè)量與仿真結(jié)果表明,該濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)較高的頻率選擇性和較寬的上阻帶帶寬.

1 濾波器設(shè)計(jì)

濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1(a)所示,該示意圖基于圖 1(b)所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).根據(jù)“N+2”耦合矩陣方法和新型慢波諧振器結(jié)構(gòu)分析,確定其最終優(yōu)化尺寸為 L=0.6 mm,L1=1.5 mm,L2=5.2 mm,L3=8.4 mm,L4=1.7 mm,W1=0.4 mm,W2=0.6 mm,W3=1.8 mm,W4=1.2 mm,S1=1.2 mm,S2=0.4 mm,S3=0.2 mm.介質(zhì)板相對(duì)介電常數(shù)為2.78,厚度為 0.8 mm.輸入、輸出饋線與諧振器之間的耦合縫隙寬度為 0.2 mm,50Ω輸入、輸出端口的寬度為 2.1 mm.

圖 1 濾波器結(jié)構(gòu)Fig.1 Geom etry of the f ilter

1.1 “N+2”耦合矩陣

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中的推導(dǎo)方法,首先綜合得出基于廣義切比雪夫函數(shù)的“N+2”耦合矩陣.由于耦合結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出對(duì)稱性,耦合矩陣中的對(duì)稱元素源與諧振器 1之間的耦合MS1等于負(fù)載與諧振器 2之間的耦合M2L.直接的源與負(fù)載之間的耦合 MSL具有容性耦合特性,因此,MSL＜0.根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)濾波器性能的要求,設(shè)置帶內(nèi)回波損耗為 -25 dB,2個(gè)對(duì)稱傳輸零點(diǎn)分別位于歸一化頻率 ±j10處.綜合得到的耦合矩陣

相應(yīng)的歸一化頻率響應(yīng)如圖 2所示.有限位置傳輸零點(diǎn)的個(gè)數(shù)直接依賴于耦合網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它們的具體位置由不同耦合系數(shù)的符號(hào)和幅值決定[11].

圖 2 歸一化頻率響應(yīng)Fig.2 Normalized frequency respon se

1.2 新型慢波諧振器

圖 3(a)所示為本工作所提出的新型慢波諧振器的結(jié)構(gòu),2個(gè)相對(duì)的開(kāi)路枝節(jié)加載于慢波諧振器的內(nèi)部,得到更加緊湊的結(jié)構(gòu).該慢波諧振器在開(kāi)路端電場(chǎng)占優(yōu),閉合端磁場(chǎng)占優(yōu).與圖 3(b)所示的傳統(tǒng)的慢波諧振器相比,新型慢波諧振器的開(kāi)路端寬度尺寸較小,因此,其電場(chǎng)較強(qiáng),與饋線之間的耦合較強(qiáng),配合相應(yīng)的饋線結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較小的外部品質(zhì)系數(shù).

根據(jù)文獻(xiàn)[12]中的分析,耦合系數(shù) Kij和外部品質(zhì)系數(shù)Qe可以由以下 2個(gè)公式確定:

式中,w為帶通濾波器的分?jǐn)?shù)帶寬.圖 4所示為 2個(gè)諧振器之間的耦合系數(shù) K12隨耦合距離 S1的變化情況.圖 5為外部品質(zhì)系數(shù)Qe隨耦合長(zhǎng)度 L的變化情況.根據(jù)圖 4和圖 5,可以方便地得出符合耦合矩陣元素大小的相應(yīng)濾波器尺寸.本工作所用的仿真工具為基于矩量法的 Sonnet電磁仿真軟件.

圖 3 慢波諧振器結(jié)構(gòu)Fig.3 Geometry slow-wave resonator

圖 4 耦合系數(shù) K12隨耦合距離 S1的變化曲線Fig.4 Coupling coeff icient K12vs.coupling gap S1

圖 5 外部品質(zhì)系數(shù) Qe隨耦合長(zhǎng)度 L的變化曲線Fig.5 External quality factor Qevs.coupling length L

2 仿真與測(cè)試結(jié)果

濾波器的中心頻率由諧振器的大小和開(kāi)路枝節(jié)的位置決定.按照無(wú)線局域網(wǎng)中 IEEE 802.11a/b的標(biāo)準(zhǔn),本研究將濾波器的中心頻率設(shè)定在 2.4 GHz.根據(jù)上述“N+2”耦合矩陣?yán)碚?引入源與負(fù)載之間的容性耦合.在不同的耦合長(zhǎng)度 L下,濾波器的頻率響應(yīng)發(fā)生了較為明顯的變化,如圖 6所示.當(dāng) L從0 mm增大到 1.2 mm時(shí),通帶內(nèi)的回波損耗逐漸減小,阻帶的傳輸零點(diǎn)逐漸靠近通帶,從而兩邊的過(guò)渡帶獲得了尖銳的頻率選擇性.同樣,仿真得到的響應(yīng)特性也可以通過(guò)改變公式 (1)中MSL的大小進(jìn)行理論驗(yàn)證.

圖 6 不同耦合長(zhǎng)度L下頻率響應(yīng)的變化曲線Fig.6 Frequency responses for var ious coupling length L

濾波器實(shí)物如圖 7所示.使用 Agilent 8722ES型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量該濾波器的 S參數(shù),測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果如圖 8所示.測(cè)量結(jié)果表明,該濾波器具有帶內(nèi) -24 dB的回波損耗,最小為 1.66 dB的插入損耗,3.3%的分?jǐn)?shù)帶寬,達(dá)到了 7.0 GHz優(yōu)于-20 dB的帶外抑制水平.從圖 8中可以清楚地看到,2個(gè)傳輸零點(diǎn)分別位于 2.01和 2.88 GHz頻率處,相應(yīng)的抑制水平分別為 -56和 -41 dB,這使得過(guò)渡帶具有較高的頻率選擇性.插入損耗主要來(lái)自于 SMA(small a type)接頭、傳導(dǎo)和介質(zhì)損耗.

圖 7 濾波器實(shí)物圖Fig.7 Photograph of the fabr icated f ilter

圖 8 實(shí)測(cè)和仿真頻率響應(yīng)Fig.8 M easured and sim ulated frequency respon ses

3 結(jié) 束 語(yǔ)

本工作采用新型的慢波諧振器結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種工作于 2.4 GHz的微帶帶通濾波器.由于利用“N+2”耦合矩陣分析方法,這種濾波器易于設(shè)計(jì)和優(yōu)化.測(cè)試結(jié)果表明,該濾波器具有良好的響應(yīng)特性,包括通帶內(nèi)較低的插入損耗、良好的頻率選擇性以及較寬的上阻帶帶寬.實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果具有良好的一致性,從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性.因此,該濾波器及其設(shè)計(jì)方法非常適用于無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng).

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A Novel Bandpass Filter Based on Coupling M atr ix

GAO Shan, XIAO Zhong-yin, CHEN Wen-feng
(School of Communication and Information Engineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)

A novel microstrip bandpass filter(BPF)with two transmission zeros ispresented.This filter has awide upper stopband by using two novel slow-wave resonators.With an“N+2”coupling matrix method,the filter is easy to design and has high frequency selectivity.Measured results show that the filter has good response performances including low insertion loss of 1.66 dB at the center frequency 2.4 GHz,and upper stopband frequency up to 7.0 GHz.These are in good agreementwith simulation.

bandpass filter(BPF);slow-wave resonator;couplingmatrix;transmission zero

TN 713

A

1007-2861(2011)02-0143-04

10.3969/j.issn.1007-2861.2011.02.007

2009-11-03

上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目 (S30108);上海市科委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(08DZ2231100)

肖中銀 (1964～),男,副教授,博士,研究方向?yàn)槲⒉娐?E-mail:zhyxiao@staff.shu.edu.cn

(編輯:趙 宇 )

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展,具有小型化、寬阻帶、高頻率選擇性等特點(diǎn)的高性能微波濾波器受到了廣泛的關(guān)注.改變?yōu)V波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和諧振器結(jié)構(gòu),是常用的 2種提高濾波器性能的方法.在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面,關(guān)于濾波器傳輸零點(diǎn)的研究十分重要.對(duì)于N階濾波器,人們普遍研究的是源與負(fù)載分別耦合到單個(gè)諧振器的濾波器[1-2],這種情況最多只能產(chǎn)生N-2個(gè)有限傳輸零點(diǎn).而文獻(xiàn)[3-4]的研究表明,引入源與負(fù)載之間的耦合后,N個(gè)諧振器最多能產(chǎn)生N個(gè)有限傳輸零點(diǎn).另外,Cameron[5]和 Rosenberg等[6]提出并改善了基于廣義切比雪夫函數(shù)的規(guī)范“N+2”耦合矩陣綜合方法,為更多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究提供了理論依據(jù).

在諧振器結(jié)構(gòu)方面,為了改善濾波器的帶外抑制特性,常用的方法是利用階躍阻抗諧振器或者慢波諧振器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬阻帶[7-9].此外,文獻(xiàn) [10]中還提出用L形饋線結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)諧波抑制.盡管傳統(tǒng)的慢波諧振器具有小型化和寬阻帶的優(yōu)點(diǎn),但這些濾波器的饋線和諧振器之間的耦合較弱,導(dǎo)致外部品質(zhì)系數(shù)較高,設(shè)計(jì)的靈活性較差.此外,在這些改進(jìn)技術(shù)中沒(méi)有具體的理論公式來(lái)確定傳輸零點(diǎn)的位置,增加了調(diào)試的難度.