短路枝節(jié)加載雙模濾波器研究

位朝壘，李 晶

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

短路枝節(jié)加載雙模濾波器研究

位朝壘，李 晶

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

綜合研究了源與負(fù)載間存在直接耦合的短路枝節(jié)加載雙模濾波器的頻響規(guī)律。通過傳輸零點(diǎn)理論預(yù)測(cè)了此類雙模濾波器固有傳輸零點(diǎn)的分布規(guī)律，通過分析各通路的信號(hào)相位關(guān)系，在理論上推測(cè)了附加傳輸零點(diǎn)的分布位置。最后通過兩種濾波器實(shí)例驗(yàn)證了該類型濾波器應(yīng)有的兩種可能的頻響特性，同時(shí)也驗(yàn)證了理論推測(cè)的正確性。

濾波器；雙模；短路枝節(jié)加載；S－L coupling

0 引言

通過加載枝節(jié)可在諧振器基模附近引入另外一個(gè)模式，調(diào)節(jié)加載枝節(jié)尺寸可使2個(gè)模式的諧振頻率靠近構(gòu)成雙模諧振器，即奇偶模雙模諧振器［1，2］，該雙模諧振器工作原理不同于簡(jiǎn)并雙模諧振器，2個(gè)工作模式非簡(jiǎn)并［3］。本文以六邊形短路枝節(jié)加載雙模濾波器為例，分析、推測(cè)并驗(yàn)證此類雙模濾波器所有可能的頻響特性。

1 理論分析

六邊形短路枝節(jié)加載雙模濾波器，由短路枝節(jié)加載雙模諧振器和源與負(fù)載直接耦合（S－L coupling）結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，包括兩類：容性S－L coupling（圖1（a））和感性S－L coupling（圖1（b））。終端短路的枝節(jié)線加載于諧振器中心，該諧振器可由電路等效，如圖2所示，短路枝節(jié)由電感L1等效［4］，調(diào)節(jié)短路枝節(jié)尺寸可得到所需的電感量。諧振器呈對(duì)稱性，可用奇偶模理論分析［5］。

圖1 六邊形短路枝節(jié)加載雙模濾波器

圖2 短路枝節(jié)加載雙模濾波器等效電路

利用CST軟件對(duì)該諧振器進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。圖3（a）為奇模諧振的場(chǎng)分布，對(duì)稱軸可視為電壁，短路枝節(jié)上無場(chǎng)分布，其長(zhǎng)度不會(huì)影響奇模諧振頻率。圖3（b）為偶模諧振的場(chǎng)分布，兩臂的電場(chǎng)方向相同。

圖3 雙模諧振器電場(chǎng)分布

短路枝節(jié)加載雙模諧振器模式分布如圖4所示。自變量為l2和l1，圖4（a）中，l1從0.2 mm增至6.2 mm時(shí)，偶模頻率由2.48 GHz降至1.7 GHz，奇模頻率不變；圖4（b）中，l2對(duì)奇偶模頻率均有影響，由于奇模的場(chǎng)分布于諧振器兩臂，而偶模的場(chǎng)分布于兩臂和中間短路枝節(jié)上，所以l2對(duì)奇模影響更顯著。

圖4 短路枝節(jié)加載雙模諧振器模式分布圖

枝節(jié)加載雙模濾波器存在一個(gè)固有零點(diǎn)，引入S－L coupling會(huì)再產(chǎn)生一個(gè)附加零點(diǎn)。其模式耦合如圖5所示［6］，其中奇模兩側(cè)的符號(hào)相反，偶模兩側(cè)的符號(hào)相同，因?yàn)槠婺ＶC振時(shí)兩臂的電場(chǎng)反向，相差為180°，偶模諧振時(shí)兩臂電場(chǎng)同向。

圖5 耦合模式圖

此類濾波器頻響可用式（1）的耦合矩陣來進(jìn)行理論分析［7］：

短路枝節(jié)加載雙模諧振器偶模諧振頻率始終小于奇模諧振頻率，即feven＜f0＜fodd。奇偶模諧振頻率表達(dá)式為［8，9］：

由式（2）和式（3）得M11＜0，M22＞0，短路枝節(jié)加載雙模濾波器低通原型對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)位置由式（4）給出［10］：

由于輸入/輸出饋線與諧振器耦合處奇模場(chǎng)密度大于偶模，故輸入/輸出饋線和奇模耦合強(qiáng)度大于偶模耦合強(qiáng)度，即M1S＞M2S。式（4）分母不為零，所以該類濾器的傳輸零點(diǎn)只存在與有限頻率處，由于M11＜0，M22＞0，且M1S＞M2S，且對(duì)于容性S－L coupling，MSL＜0；對(duì)于感性S－L coupling，MSL＞0。故式（4）小于零，即固有零點(diǎn)在低阻帶。

附加零點(diǎn)可由各通路信號(hào)相位關(guān)系來分析，由于M1S＞M2S，故只考慮源－奇模－負(fù)載（S－O－L）和源－負(fù)載（S－L）2條通路的信號(hào)相位［11，12］。信號(hào)在阻帶上的相移與阻帶頻率和通帶頻率相對(duì)大小有關(guān)［8］，高阻帶相移為－90°，低阻帶相移為90°；容性S－L coupling相移為－90°，感性S－L coupling相移為90°。相位關(guān)系總結(jié)如表1所示。容性S－L coupling在高阻帶上有附加零點(diǎn)，感性S－L coupling在低阻帶上有附加零點(diǎn)。S－L coupling短路枝節(jié)加載雙模濾器可能的2種頻響曲線如表2所示。

表1 濾波器通路信號(hào)相移分布單位：（°）

表2 濾波器頻響曲線示意圖

2 實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述理論，對(duì)表2中的濾波器進(jìn)行加工測(cè)試，現(xiàn)把圖1（a）和（b）分別稱為濾波器A和B。圖1中的S－L coupling平行耦合線長(zhǎng)度為lp，縫隙寬度為s2，諧振器與饋線間的縫隙為s，介質(zhì)基片為Rogers RO 4003，厚度為0.508 mm。

濾波器A驗(yàn)證容性S－L coupling短路枝節(jié)加載雙模濾波器濾波器A頻響仿真曲線隨s2和lp的變化情況如圖6所示。圖6（a）中，隨著s2的減小，零點(diǎn)移向通帶，濾波器選擇性變好。S21隨lp的變化情況如圖6（b）所示，隨著lp的增加，通帶選擇性趨好。選擇合適的S－L coupling可使濾波器選擇性滿足不同需求。

圖6 濾波器A的仿真S21

濾波器A實(shí)物如圖7所示，主要尺寸為：l1＝0.2 mm，l2＝11.6 mm，lp＝3.5 mm，r1＝0.3 mm，s2＝0.4 mm，s＝0.18 mm和w＝0.59 mm。濾波器A的仿真和測(cè)試曲線如圖8所示，中心頻率為2.75 GHz， 2個(gè)傳輸零點(diǎn)在2.27 GHz和3.44 GHz處，分列通帶側(cè)，仿真最小插入損耗為0.4 dB，最小回波損耗大于20 dB。測(cè)試最小插入損耗為1.6 dB，測(cè)試最小回波損耗約為17 dB。

圖7 濾波器A實(shí)物照片

圖8濾波器A的仿真和測(cè)試結(jié)果

濾波器B驗(yàn)證感性S－L coupling短路枝節(jié)加載雙模濾波器，濾波器B的S21仿真曲線隨s2、lp的變化情況如圖9所示，內(nèi)側(cè)的為固有零點(diǎn)，外側(cè)的為附加零點(diǎn)。

圖9 濾波器B的仿真S21

濾波器B實(shí)物照片如圖10所示，主要尺寸為：l1＝0.2 mm，l2＝11.5 mm，l3＝8 mm，lp＝8 mm，r1＝0.3 mm，r3＝0.3 mm，s2＝2.4 mm，s＝0.18 mm和w＝0.73 mm。

仿真和測(cè)試結(jié)果如圖11所示，最小測(cè)試插入損耗為1.8 dB，最小測(cè)試回波損耗為17 dB。2個(gè)傳輸零點(diǎn)分別在2.04 GHz和2.18 GHz處，均位于下阻帶。

Study of Short-stub Loaded Dual-modeM icrostrip Filter

WEIChao－lei，LI Jing
（The 54th Research Institute of CECT，Shijiazhuang Hebei050081，China）

The frequency response rule of short－stub loaded dual－modemicrowave filterswith S－L coupling is studied in the paper.The rule of inherent transmission zero is predicted through the transmission zero theory.The distribution position of the extra transmission zero is analyzed theoretically by the phase relationship among all signal channels of the dual－mode filter with S－L coupling.Finally，two possible frequency response characteristics of short－stub loaded dual－mode filter are validated by two filter instances，and the correctness of the theoretical analysis is also proved.

filter；dual－mode；short－stub loaded；S－L coupling

TN713

A

1003－3114（2015）04－77－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.20

位朝壘，李 晶.短路枝節(jié)加載雙模濾波器研究［J］.無線電通信技術(shù)，2015，41（4）：77－79，95.

2015－05－08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目項(xiàng)目（61308061）

位朝壘（1981—），男，博士，工程師，主要研究方向：微波射頻技術(shù)。李晶（1981—），女，博士，工程師，主要研究方向：激光通信技術(shù)。