基于開環(huán)諧振器和非對稱耦合線的三通帶帶通濾波器設(shè)計

劉海文，蔣 浩，雷久淮，覃 鳳，彭蘇萍

(中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京100083;2.華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌330013)

0 引言

近年來，隨著無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，濾波器的設(shè)計向小型化、高性能化、低成本和易集成等方向發(fā)展.將濾波器做成多頻段結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)功耗將大大降低，結(jié)構(gòu)也會更加緊湊，更利于集成.因此，對多頻無線前端的關(guān)鍵部件——多頻帶濾波器的研究，就顯得更加迫切和重要［1-2］.目前，設(shè)計三頻帶濾波器的方法主要有:通過級聯(lián)多個諧振器的方法來實現(xiàn)三通帶濾波器［3］，但該方法會占用較大電路尺寸.基于階躍阻抗和缺陷地結(jié)構(gòu)的三頻帶濾波器［4-5］，雖然有其獨特的優(yōu)點，但3個工作頻帶與對應(yīng)電路結(jié)構(gòu)尺寸不能獨立可調(diào)，從而降低了濾波器設(shè)計的靈活性.

本文利用枝節(jié)加載開環(huán)多模諧振器和非對稱耦合線來設(shè)計三通帶濾波器.運用奇偶模理論對多模諧振器的特性進(jìn)行了分析，證明通過調(diào)節(jié)相關(guān)電路結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，3個通帶的中心頻率位置能夠獨立可調(diào).同時，通過調(diào)節(jié)非對稱耦合線位置，還可以改變耦合線與諧振器之間的耦合度，從而實現(xiàn)對傳輸零點(TZ)位置的調(diào)控，進(jìn)而提高通帶的選擇性和阻帶特性［6-8］.

1 三通帶濾波器的設(shè)計

1.1 諧振器的分析

本文設(shè)計的枝節(jié)加載開環(huán)多模諧振器如圖1所示，它由3段長度分別為 2L1、2L2、2L3，寬度為 w 的平行微帶線，和1段長度為H0=H1+H2+H3、寬度為2w的微帶線構(gòu)成.由于整個諧振器結(jié)構(gòu)沿分界線T-T1對稱分布，因此，可運用奇偶模理論對諧振器進(jìn)行分析，其奇、偶模等效電路如圖2所示.本文采用仿真工具為電磁仿真軟件Sonnet 11，介質(zhì)基片厚度為0.8mm，介電常數(shù)為3.5.

圖1 諧振器示意圖

圖2 等效電路圖

在奇模激勵的情況下，對稱面T-T1相當(dāng)于理想電壁，可以將其視作短路端，奇模等效電路如圖2(a)所示.此時，輸入導(dǎo)納(Yinoddi，i=1，2，3)可表示為 Yinodd1=-jYcotθ1，Yinodd2=-jYcotθ2，Yinodd3=-jYcotθ3，其中 θ1、θ2和 θ3分別為與物理長度 L1、L2和L3相對應(yīng)的電長度.

由諧振條件Im(Yinoddi)=0可得

從(1)～(3)式可以看出，分別調(diào)節(jié)微帶線長度L1、L2和L3可以有效地控制3個奇模的位置.在偶模激勵的情況下，對稱面T-T1相當(dāng)于理想磁壁，可以將其視作開路端，偶模等效電路如圖2(b)所示.此時，輸入導(dǎo)納(Yinevenj，j=1，2，3)可表示為 Yineven1=-jYtan(θ1+ θ11+ θ21+ θ31)，Yineven2=-jYtan(θ2+θ21+ θ31)，Yineven3=-jYtan(θ3+ θ31)，其中 θ11、θ21和θ31分別為與物理長度H1、H2和H3相對應(yīng)的電長度.

同理，由諧振條件Im(Yinevenj)=0可得

從(4)～(6)式可以看出，分別調(diào)節(jié)微帶線長度L1+H0、L2+H2+H3和L3+H3可以有效地控制3個偶模的位置.在弱耦合仿真下，諧振器在3個奇模和3個偶模頻率處的電場分布圖如圖3所示.從圖3可以看出，在奇模諧振頻率點處，電場主要集中分布在開環(huán)處而與加載的開路枝節(jié)無關(guān)，但在偶模諧振頻率點處，電場不但在開環(huán)自身結(jié)構(gòu)有電場分布，而且在加載開路枝節(jié)上也有電場分布.根據(jù)上面的分析，此諧振器可以設(shè)計成三通帶濾波器.濾波器的第1通帶可由諧振器的第1個奇模fodd1和第1個偶模feven1構(gòu)成.第2通帶和第3通帶分別可以由第2個奇模fodd2和第2個偶模feven2及第3個奇模fodd3和第3個偶模feven3構(gòu)成.

圖3 諧振器在諧振頻率處的電場分布圖

1.2 非對稱耦合線的特性

本文設(shè)計三通帶濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示.在濾波器的輸入輸出端，采用非對稱耦合線結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)非對稱耦合線可以有效控制傳輸零點的位置，從而提高通帶的選擇性和阻帶特性.在其他參數(shù)不變的前提下，只改變饋線長度L4、饋線長度L5和耦合間隙S得到的頻率響應(yīng)圖如圖5所示.從圖5(a)可以看出，由于調(diào)節(jié)L4改變了耦合線與諧振器之間的耦合度，所以TZ2隨著L4的增加向低頻方向移動.在圖5(b)中，在保持L5+L6=48.4mm前提下，TZ1和TZ2隨著L5的減小而向低頻方向移動，而TZ5隨著L5的減小向高頻方向移動.在圖5(c)中，隨著耦合間隙S的增加，TZ4向低頻方向移動.根據(jù)以上分析可以知道，在不改變諧振器參數(shù)的情況下，可通過調(diào)節(jié)非對稱耦合線來有效控制傳輸零點位置，提高濾波器的濾波選擇性.

圖4 濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖5 電路參數(shù)L4對諧振器奇偶模位置的影響

2 仿真與測試結(jié)果

通過電磁仿真工具進(jìn)一步優(yōu)化濾波器，其物理尺寸選定為:w=0.4mm，S=0.2mm，L1=44.2mm，L2=31mm，L3=27.3mm，L4=8.7mm，L5=20.2mm，L6=28.2mm，L7=4.2mm，Lf=6.1mm，H0=35.2mm.加工的實物圖如圖6所示，電路的實際尺寸為18.2mm×35.6mm(約0.10 λg×0.19 λg，λg為第1通帶中心頻率所對應(yīng)的導(dǎo)波波長).電磁仿真與實測結(jié)果對比如圖7所示，2者吻合較好.通帶內(nèi)的3對奇、偶模分別在 0.935～0.975 GHz，1.54～1.57 GHz和1.8～1.845 GHz，該濾波器在3個通帶內(nèi)的插入損耗分別是1.3，1.46和1.92 dB，5個傳輸零點分別位于0.815，1.02，1.49，1.63 和1.91 GHz.

圖6 三通帶濾波器實物圖

圖7 濾波器頻率響應(yīng)仿真和測試結(jié)果圖

3 結(jié)論

本文基于多模開環(huán)多模諧振器和非對稱耦合線設(shè)計了1款三通帶濾波器，可應(yīng)用于 GSM，GPS和DCS無線通信系統(tǒng).運用奇偶模理論對諧振器進(jìn)行了分析，通過調(diào)節(jié)非對稱耦合線位置，實現(xiàn)對傳輸零點的有效調(diào)控，提高通帶的選擇性和阻帶特性.此濾波器實現(xiàn)了小型化、低損耗、高選擇性的高性能濾波特性，這種濾波器特別適用在多頻帶移動通信系統(tǒng)中，具有一定的商業(yè)價值.

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