新型雙模方環(huán)微帶帶通濾波器

孫守家,吳 邊,梁昌洪

(西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071)

新型雙模方環(huán)微帶帶通濾波器

孫守家,吳 邊,梁昌洪

(西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071)

為了減小諧振器的尺寸,提出了一種新型的雙模方環(huán)諧振器.首先根據(jù)諧振結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,利用奇偶模方法分析了該結(jié)構(gòu)的諧振特性.然后加載了一對(duì)開路枝節(jié),通過(guò)增加它的長(zhǎng)度降低諧振頻率,實(shí)現(xiàn)諧振器尺寸的小型化.接著,為了改善濾波器的選擇特性,利用源和負(fù)載耦合引入了新的傳輸零點(diǎn).最后,設(shè)計(jì)并加工了一款工作于中心頻率為1.95 GHz,3 dB分?jǐn)?shù)帶寬為37.7%的微帶雙模帶通濾波器.測(cè)試與仿真結(jié)果吻合良好.

雙模諧振器;帶通濾波器;源和負(fù)載耦合

由于微帶器件的小型化、低成本和易加工,微帶濾波器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中.近年來(lái),雙模諧振器得到了越來(lái)越多的關(guān)注.雙模概念是源于具有幾何對(duì)稱性的諧振結(jié)構(gòu),在這種結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在兩種簡(jiǎn)并模式,如果在這兩種模式的正交面上引入微擾,就可以使它們分離,以形成通帶響應(yīng).單個(gè)微帶雙模諧振器的使用相當(dāng)于兩個(gè)諧振腔的級(jí)聯(lián).因此,在設(shè)計(jì)濾波器時(shí),使用雙模諧振器可以使諧振器的數(shù)量減少一半,很大程度上實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化.到目前為止,在雙模諧振器的研究上已有大量的成果和文獻(xiàn).

根據(jù)出版的文獻(xiàn),設(shè)計(jì)雙模諧振器主要有3種經(jīng)典的方法:(1)在環(huán)形諧振器上加載貼片或者切口實(shí)現(xiàn)兩種簡(jiǎn)并模式的耦合,比如圓環(huán)雙模諧振器[1]和方環(huán)雙模諧振器[2].(2)利用具有幾何對(duì)稱性的貼片,并且在貼片的對(duì)稱面上刻槽或者加載切角,實(shí)現(xiàn)兩種簡(jiǎn)并模式的耦合[3].(3)在開口環(huán)諧振器的中間加載開路枝節(jié)或者短路枝節(jié),枝節(jié)具有微擾作用,改變它的長(zhǎng)度可以控制兩種簡(jiǎn)并模式的耦合強(qiáng)度[4-5].這3種方法依然是現(xiàn)代雙模諧振器設(shè)計(jì)中常常用到的.文獻(xiàn)[2]中的雙模方環(huán)諧振器的周長(zhǎng)是全波長(zhǎng)的,為了能夠減小諧振器的尺寸,筆者設(shè)計(jì)了一種新型的雙模方環(huán)諧振器,使該環(huán)的任一角位置接地,并且在該角的對(duì)角位置加載短路枝節(jié),短路枝節(jié)具有微擾作用,改變它的長(zhǎng)度可以控制諧振器中兩種簡(jiǎn)并模式的耦合強(qiáng)度.同時(shí),在另外兩個(gè)角位置加載一對(duì)相同的開路枝節(jié),增加它們的長(zhǎng)度可以降低諧振頻率,實(shí)現(xiàn)諧振器尺寸的小型化.利用該新型雙模諧振器設(shè)計(jì)濾波器時(shí),通過(guò)源和負(fù)載耦合引入了新的傳輸零點(diǎn),改善了通帶選擇特性.

1 新型方環(huán)雙模諧振器及其諧振特性分析

筆者提出的新型方環(huán)雙模諧振器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1(a)所示.方環(huán)的邊長(zhǎng)為L(zhǎng),特性導(dǎo)納為Y,頂點(diǎn)P1接地,頂點(diǎn)P3處加載長(zhǎng)度為L(zhǎng)1、特性導(dǎo)納為Y1的短路枝節(jié).諧振器結(jié)構(gòu)關(guān)于圖中所示曲線對(duì)稱,利用奇偶模方法對(duì)其諧振特性進(jìn)行分析.

圖1 方環(huán)雙模諧振器結(jié)構(gòu)及其等效電路

1.1 奇模等效分析

饋電1和饋電2分別輸入等幅反向的信號(hào),對(duì)稱線處的電壓為零,等效為理想電壁(虛擬短路),此時(shí)加載的短路枝節(jié)是不存在的,奇模等效電路如圖1(b)所示.從饋電點(diǎn)看進(jìn)去的奇模輸入導(dǎo)納為

根據(jù)諧振條件Im(Yin,o)=0,可以得到

其中,c代表自由空間的光速,εe代表微帶介質(zhì)基板的有效介電常數(shù).k=1時(shí),諧振器的尺寸最小.從圖1(a)和(b)中可以看出,當(dāng)饋電位置不同于P1和P3時(shí),奇模諧振頻率和饋電位置無(wú)關(guān),只和方環(huán)諧振器的邊長(zhǎng)有關(guān),并且諧振器的周長(zhǎng)在奇模諧振頻率下是全波長(zhǎng)的.

1.2 偶模等效分析

饋電1和饋電2分別輸入等幅同向的信號(hào),對(duì)稱線處的電流為零,等效為理想磁壁(虛擬開路),此時(shí)加載的短路枝節(jié)沿著對(duì)稱線被等分,偶模等效電路如圖1(c)所示.從饋電點(diǎn)看進(jìn)去的偶模輸入導(dǎo)納為

根據(jù)諧振條件Im(Yin,e)=0,解方程可以得到

由式(5)可以看出,當(dāng)方環(huán)諧振器的邊長(zhǎng)L和特性導(dǎo)納Y確定之后,偶模諧振只和短路枝節(jié)的參數(shù)有關(guān).在短路枝節(jié)的特性導(dǎo)納給定之后,通過(guò)改變短路枝節(jié)的長(zhǎng)度,可以決定兩種簡(jiǎn)并模式的分離程度,進(jìn)而可以控制通帶響應(yīng)的帶寬.然而枝節(jié)的長(zhǎng)度并不是任意的,當(dāng)L1＞代表偶模諧振波長(zhǎng))時(shí),通過(guò)式(5)可以推出偶模諧振的一次諧波頻率小于奇模諧振頻率,這時(shí)諧振器的雙模特性遭到破壞.因此,給定約束條件為

圖2 不同短路枝節(jié)長(zhǎng)度下的傳輸響應(yīng)的變化

把式(6)代入到式(5),可推出偶模諧振頻率的變化范圍為

圖2給出了在弱耦合下仿真得到的奇偶模諧振頻率隨短路枝節(jié)長(zhǎng)度L1變化的曲線,其參數(shù)為εe=2.65,L=21 mm,Y=Y1.文中所有的仿真都是在電磁仿真商業(yè)軟件IE3D中完成的.由圖2可以清晰地看到,當(dāng)枝節(jié)長(zhǎng)度由1.3 mm增加到5.5 mm時(shí),偶模諧振頻率由2.49 GHz降低到2.15 GHz,而奇模諧振頻率維持在2.64 GHz不變.這個(gè)例子和前面的理論分析是一致的,并且不會(huì)失去問(wèn)題的一般性.

2 開路枝節(jié)加載以及雙模帶通濾波器的設(shè)計(jì)

由前面的分析可得,此諧振器的周長(zhǎng)在奇模諧振頻率下是全波長(zhǎng)的,這和文獻(xiàn)[2]中的諧振器相比,尺寸是相同的.為了能夠減小諧振器的尺寸,降低諧振頻率,在方環(huán)的另外兩個(gè)頂點(diǎn)位置P2和P4處加載了一對(duì)相同的開路枝節(jié),長(zhǎng)度為L(zhǎng)2,特性導(dǎo)納為Y2.

圖3 雙模帶通濾波器的結(jié)構(gòu)圖

利用改進(jìn)后的諧振器設(shè)計(jì)的帶通濾波器如圖3所示,包含了1個(gè)加載開路枝節(jié)的雙模方環(huán)諧振器,1對(duì)端口阻抗為50Ω的輸入輸出饋線,接地用直徑為1 mm的金屬過(guò)孔實(shí)現(xiàn).為了介紹引入開路枝節(jié)的作用,圖4給出了開路枝節(jié)在不同長(zhǎng)度下通帶頻率的變化,隨著開路枝節(jié)長(zhǎng)度的增加,通帶中心頻率降低了.圖4中,枝節(jié)長(zhǎng)度由0增加到10.3 mm,通帶的中心頻率由2.36 GHz下降到1.94 GHz,使諧振器尺寸減小了18.8%,實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化.然而,從圖4中發(fā)現(xiàn),濾波器的通帶選擇性和帶外性能并不好,為了解決這個(gè)問(wèn)題,引入了源和負(fù)載耦合,并且通過(guò)在饋線末端加載耦合線的方法增強(qiáng)源和負(fù)載耦合的強(qiáng)度.圖5給出了濾波器在不同源和負(fù)載耦合強(qiáng)度下的頻率響應(yīng)變化以及傳輸響應(yīng)的局部放大圖.從圖5中可以看出,當(dāng)饋線末端距離很小時(shí),源和負(fù)載耦合產(chǎn)生,不僅引入了一個(gè)新的傳輸零點(diǎn),改善了通帶選擇性,而且大大提高了帶內(nèi)平坦度.當(dāng)耦合線長(zhǎng)度增加時(shí),增強(qiáng)了源和負(fù)載耦合強(qiáng)度,零點(diǎn)更加接近通帶,大大改善了濾波器的選擇性.

圖4 不同的開路枝節(jié)長(zhǎng)度下的傳輸響應(yīng)

圖5 不同源和負(fù)載耦合強(qiáng)度下的頻率響應(yīng)

為了驗(yàn)證上面的分析,設(shè)計(jì)了一款工作于中心頻率為1.94 GHz,帶寬為530 MHz,回波損耗為18 dB的帶通濾波器.用IE3D對(duì)濾波器進(jìn)行仿真優(yōu)化,得到的最終尺寸為:L′=13.0 mm,L″=6.8 mm,L1=7.6 mm,L2=10.3 mm,L3=27.5 mm,L4=7.8 mm,W1=1.0 mm,W2=0.2 mm,g1=0.1 mm,g2=0.2 mm,d=0.4 mm.諧振器尺寸為0.21λg×0.21λg,λg為波導(dǎo)波長(zhǎng),比文獻(xiàn)[2]中的諧振器尺寸減小了39.5%.加工后的濾波器實(shí)物如圖6(a)所示,采用Agilent 8719ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量.圖6(b)給出了仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果,兩者吻合良好.測(cè)量結(jié)果中,中心頻率為1.95 GHz,3 dB分?jǐn)?shù)帶寬為37.7%,包括同軸射頻接頭損耗在內(nèi)的最小插入損耗為0.52 dB,帶內(nèi)的反射損耗大于20 dB,兩個(gè)傳輸零點(diǎn)位于0.87 GHz和3.24 GHz.由于饋線自身的諧波抑制特性[6],高于20 dB抑制的頻帶截止到4.9 GHz,約為中心頻率的2.5倍.

圖6 濾波器加工實(shí)物圖以及仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種新型的雙模方環(huán)諧振器,對(duì)該結(jié)構(gòu)的諧振特性進(jìn)行了分析.短路枝節(jié)起到微擾作用,用來(lái)控制兩個(gè)模式頻率的耦合強(qiáng)度;開路枝節(jié)的加載能夠降低諧振頻率,實(shí)現(xiàn)諧振器的小型化.利用該諧振器設(shè)計(jì)了一款帶通濾波器,引入了源和負(fù)載耦合,產(chǎn)生了新的傳輸零點(diǎn),大大改善了濾波器的通道選擇特性.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了該款濾波器的優(yōu)良性能,可以廣泛應(yīng)用于各種射頻電路中.

[1]Luo S,Zhu L,Sun S.Compact Dual-mode Triple-band Bandpass Filters Using Three Pairs of Degenerate Modes in a Ring Resonator[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology,2011,59(5):1222-1229.

[2]Hong J S,Lancaster M J.Bandpass Characteristics of New Dual-mode Microstrip Square Loop Resonators[J]. Electronics Letters,1995,31(11):891-892.

[3]Sung Y.Dual-mode Dual-band Filter with Band Notch Structures[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2010,20(2):73-75.

[4]Athukorala L,Budimir D.Design of Compact Dual-mode Microstrip Filters[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2010,58(11):2888-2895.

[5]Hong J S,Shaman H,Chun Y H.Dual-mode Microstrip Open-loop Resonator and Filters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology,2007,55(8):1764-1770.

[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 Microwave and Wireless Components Letters,2003,13(10):440-442.

(編輯:齊淑娟)

Novel dual-mode square loop microstrip bandpass filter

SUN Shoujia,WU Bian,LIANG Changhong
(Science and Technology on Antenna and Microwave Lab.,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

This paper presents a novel dual-mode square loop resonator with a compact size.Firstly,the odd-even-mode method is utilized to analyze the resonant property of the proposed resonator since its structure is symmetrical,and the passband center frequency can be easily tuned by changing the lengths of a pair of loaded open-ended stubs.Secondly,source-load coupling is introduced to produce a new transmission zero and improve the passband selectivity.Finally,a microstrip dual-mode bandpass filter(BPF)centering at 1.95 GHz with a 3 dB fractional bandwidth(FBW)of 37.7%is designed and fabricated.The measured and simulated results in good agreement are presented.

dual-mode resonator;bandpass filter;source-load coupling

TN713+.5

A

1001-2400(2014)01-0053-04

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.01.010

2012-10-20 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:

時(shí)間:2013-09-16

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA01A308);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60901031,61271017)

孫守家(1987-),男,西安電子科技大學(xué)博士研究生,E-mail:sunshoujia@gamil.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20130916.0926.201401.68_006.html