新型寬阻帶雙通帶濾波器設(shè)計(jì)

林 磊,吳 邊,蘇 濤,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)

新型寬阻帶雙通帶濾波器設(shè)計(jì)

林 磊,吳 邊,蘇 濤,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)

傳統(tǒng)的雙通帶濾波器設(shè)計(jì)一般使用兩個(gè)或多個(gè)諧振器構(gòu)成,電路尺寸較大.為了減小諧振器尺寸,提出了一種新型的枝節(jié)加載方環(huán)四模諧振器.根據(jù)諧振器結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,兩次應(yīng)用奇偶模方法分析了該結(jié)構(gòu)的諧振特性.該諧振器的4個(gè)諧振模式的等效電路均為1/4波長(zhǎng)諧振器,實(shí)現(xiàn)了諧振器的小型化,且一次諧波為基頻的3倍.每個(gè)模式對(duì)應(yīng)的諧振頻率都是獨(dú)立可控的,利用其設(shè)計(jì)的雙通帶濾波器,也具有獨(dú)立可控的通帶中心頻率和帶寬.設(shè)計(jì)并采用了1/4波長(zhǎng)彎鉤形饋電線,為兩個(gè)通帶提供了合適外部耦合,也產(chǎn)生了兩個(gè)新的傳輸零點(diǎn),進(jìn)一步改善了濾波器的選擇性,獲得了更寬的阻帶特性;最后,設(shè)計(jì)并加工了一款微帶雙通帶濾波器,測(cè)試與仿真結(jié)果吻合良好.

四模諧振器;帶通濾波器;傳輸零點(diǎn);寬阻帶

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)的高速發(fā)展,高選擇性、寬阻帶、小型化的雙通帶及多通帶濾波器逐漸成為了研究熱點(diǎn).微帶雙通帶濾波器,以其體積小、成本低、易于集成到射頻電路中等優(yōu)點(diǎn)成為了多通帶無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最常用的微波無(wú)源器件之一.目前為止,有很多形式多樣的雙通帶濾波器結(jié)構(gòu)被提出,文獻(xiàn)[1]中,兩個(gè)枝節(jié)加載階梯阻抗諧振器被用于設(shè)計(jì)帶寬可控的雙通帶濾波器;文獻(xiàn)[2]中,設(shè)計(jì)者將兩個(gè)E形諧振器級(jí)聯(lián),以實(shí)現(xiàn)雙通帶濾波器結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)[3]應(yīng)用兩個(gè)連接于同一接地通孔的多模諧振器,設(shè)計(jì)了一款三階雙通帶濾波器.上述幾種雙通帶濾波器設(shè)計(jì),均使用了兩個(gè)或多個(gè)諧振器,電路尺寸較大.為了實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化,也有文獻(xiàn)提出單個(gè)的新型多模諧振器,并應(yīng)用其設(shè)計(jì)單通帶[4]及雙通帶濾波器[5-7],但是其阻帶特性不夠理想.近年來(lái),關(guān)于雙模雙通帶濾波器的文獻(xiàn)報(bào)道也很常見(jiàn)[8-9],諧振器的基頻被用于設(shè)計(jì)第一通帶,一次諧波被用于設(shè)計(jì)第二通帶,這造成兩個(gè)通帶的中心頻率和帶寬相互制約,降低了濾波器的實(shí)用性.筆者提出了一種新型的枝節(jié)加載方環(huán)四模諧振器,通過(guò)奇偶模理論分析,該結(jié)構(gòu)每個(gè)諧振模式的等效電路均為1/4波長(zhǎng)諧振器,從而大大減小了濾波器的尺寸,另外每個(gè)模式的一次諧波均為基頻的3倍,也有助于獲得更寬的阻帶特性.該諧振器的4個(gè)模式的諧振頻率都可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的物理尺寸自由調(diào)節(jié),設(shè)計(jì)的濾波器也具有獨(dú)立可控的通帶中心頻率和帶寬.彎鉤形的饋電線設(shè)計(jì),引入了新的傳輸零點(diǎn),進(jìn)一步改善了濾波器的選擇性和阻帶特性.濾波器結(jié)構(gòu)易于分析,設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)單.

1 新型枝節(jié)加載環(huán)形四模諧振器及其特性分析

這里,筆者提出的新型枝節(jié)加載方環(huán)四模諧振器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.方環(huán)兩側(cè)是兩個(gè)相同的T形枝節(jié),方環(huán)中間加載了兩段連接于同一接地通孔的短路枝節(jié),這兩段短路枝節(jié)的寬度及長(zhǎng)度均相等.諧振器結(jié)構(gòu)關(guān)于圖中虛線P-P′對(duì)稱(chēng),因此可以利用奇偶模方法對(duì)其諧振特性進(jìn)行分析.

圖1 新型枝節(jié)加載方環(huán)四模諧振器結(jié)構(gòu)

在偶模激勵(lì)情況下,諧振器的對(duì)稱(chēng)線P-P′處電流為零,等效為理想磁壁（虛擬開(kāi)路),此時(shí)加載的兩段長(zhǎng)度為L(zhǎng)4、寬度為2W的短路枝節(jié)被等分,寬度變?yōu)樵瓉?lái)的1/2,因此偶模等效電路如圖2（a)所示.在奇模激勵(lì)情況下,諧振器對(duì)稱(chēng)線P-P′處的電壓為零,等效為理想電壁（虛擬短路),此時(shí)加載的兩段短路枝節(jié)可以視為不存在,因此奇模等效電路如圖2（b)所示.

圖2 諧振器奇偶模等效電路

可見(jiàn),圖2（a)中的偶模等效電路和圖2（b)中的奇模等效電路依然具有對(duì)稱(chēng)性,再次對(duì)圖2（a)中的偶模等效電路應(yīng)用奇偶模方法,則得到了圖2（c)和圖2（d)所示的模式E1和模式E2;對(duì)圖2（b)中的奇模等效電路應(yīng)用奇偶模方法,得到了圖2（e)和圖2（f)所示的模式O1和模式O2,并且得到的4個(gè)模式的等效電路均為1/4波長(zhǎng)諧振器,其諧振頻率分別記為fE1,fE2,fO1和fO2,則它們可由下列公式給出:

其中,c代表自由空間的光速,εeff代表微帶介質(zhì)基板的有效介電常數(shù).

根據(jù)上面的分析,可以得到如下結(jié)論:①該諧振器結(jié)構(gòu)的4個(gè)諧振模式的等效電路均為1/4波長(zhǎng)諧振器,有效地減小了濾波器的電路尺寸,也使得每個(gè)模式一次諧波出現(xiàn)在三倍頻處,獲得了更好的阻帶特性;②由式（1)～（4)可得fE1＜fO1＜fE2=fO2;③改變枝節(jié)L1的長(zhǎng)度會(huì)對(duì)4個(gè)模式的諧振頻率都產(chǎn)生影響,圖3（a)給出了4個(gè)模式的諧振頻率隨著L1的變化情況;④L2和L3的變化只影響fE1和fO1的大小而對(duì)其他模式的諧振頻率沒(méi)有影響,圖3（b)和圖3（c)分別給出了諧振頻率隨著L2和L3的變化情況;⑤改變枝節(jié)L4的長(zhǎng)度只影響fE1的大小而對(duì)其他模式的諧振頻率沒(méi)有影響,圖3（d)給出了L4的變化對(duì)4個(gè)模式的諧振頻率的影響.

圖3 諧振頻率與各物理尺寸的關(guān)系

由圖3（a)可以看出,隨著枝節(jié)L1的增長(zhǎng),4個(gè)諧振頻率都在降低;由圖3（b)和圖3（c)可以看出,隨著L2和L3長(zhǎng)度的增加,fE1和fO1都在減小,而fE2和fO2保持不變;從圖3（d)可見(jiàn),只有諧振頻率fE1因L3的增長(zhǎng)而降低,其他模式的諧振頻率均保持不變.

2 寬阻帶雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

前面對(duì)新型四模諧振器的諧振特性進(jìn)行了詳細(xì)分析,這里,將應(yīng)用該諧振器設(shè)計(jì)一款寬阻帶雙通帶濾波器,圖4給出了該款雙通帶濾波器的結(jié)構(gòu)圖.為了應(yīng)用新型四模諧振器設(shè)計(jì)雙通帶濾波器,需要將兩個(gè)重合的模式E2和O2分離,以形成通帶效應(yīng).如圖4所示,兩段開(kāi)路枝節(jié)向內(nèi)彎折并使之相互靠近,形成了枝節(jié)之間的耦合,引入的枝節(jié)耦合產(chǎn)生的效果如圖5所示,兩個(gè)重合的諧振模式的頻率fE2和fO2因?yàn)轳詈系淖饔枚蛛x,并且兩個(gè)新的傳輸零點(diǎn)被引入.新的傳輸零點(diǎn)的引入是由于枝節(jié)之間的耦合形成了新的傳輸路徑,在傳輸零點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率處,新的傳輸路徑與原有傳輸路徑因?yàn)榀B加的效應(yīng)而相互抵消.枝節(jié)耦合的強(qiáng)度可以通過(guò)改變耦合間隙g1控制.由圖5可以看出,4個(gè)諧振模式被引入的傳輸零點(diǎn)分成兩組,其中fE1和fO1為第1組,構(gòu)成第1通帶;fE2和fO2為第2組,構(gòu)成第2通帶.第1通帶的中心頻率可由參數(shù)L2和L3控制,第1通帶的中心頻率隨著參數(shù)L2和L3的增大而減小,帶寬可以由L4控制,并且隨著L4的增加,第1通帶的帶寬也會(huì)增大;第2通帶中心頻率可以由參數(shù)L1控制,第2通帶的中心頻率隨著參數(shù)L1的增大而減小,帶寬可以由枝節(jié)之間的耦合間隙g1控制,并且第2通帶的帶寬隨著耦合間隙g1的減小而增大.綜上所述,兩個(gè)通帶的中心頻率和帶寬都是獨(dú)立可控的.

圖4 雙通帶濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖5 枝節(jié)耦合對(duì)傳輸響應(yīng)的影響

由于每個(gè)模式的等效電路均為1/4波長(zhǎng)諧振器,所以各模式的一次諧波均為基頻的3倍,取得了較寬的阻帶特性,為了進(jìn)一步展寬阻帶,這里采用如圖4所示的彎鉤形饋電線結(jié)構(gòu).經(jīng)過(guò)計(jì)算和仿真優(yōu)化,設(shè)計(jì)的饋電線結(jié)構(gòu)既為兩個(gè)通帶提供了合適的外部耦合,也引入了兩個(gè)新的傳輸零點(diǎn)（用TZ表示),有效地抑制了高次諧波.新引入的兩個(gè)傳輸零點(diǎn)分別為圖6（a)中的TZ4和TZ5.

圖6 雙通帶濾波器仿真和測(cè)試結(jié)果及實(shí)物圖

為了驗(yàn)證上面的分析,設(shè)計(jì)了一款工作于1.5 GHz和2.4 GHz,3 dB分?jǐn)?shù)帶寬分別為10.7%和9.6%的雙通帶濾波器.用IE3D對(duì)濾波器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化,得到最終的各物理尺寸為（單位:mm):L1=22.4,L2=1.2,L3=6.9,L4=1.7,L8=1.5,L9=1.5,L10=1.2,L11=3.5,Lf1=10.5,Lf2=12.4,LP=5.0,W=0.5,Wf=0.3,WP=2.9,d=1.0,a=1.2,g1=0.4,g2=0.15.濾波器實(shí)物尺寸為0.13λg×0.098λg,λg為第1通帶中心頻率處的波導(dǎo)波長(zhǎng).設(shè)計(jì)和加工濾波器所采用的微帶基板厚度為1 mm,介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為2.45.加工后的濾波器實(shí)物如圖6（b)所示,采用Agilent 8719ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量.圖6（a)對(duì)仿真和測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較,兩者吻合良好.測(cè)量結(jié)果中,兩個(gè)通帶的中心頻率分別為1.49 GHz和2.38 GHz,3 d B分?jǐn)?shù)帶寬分別為10.63%和9.71%,兩個(gè)通帶中心頻率處的插入損耗分別為1.06 d B和0.67 dB,通帶內(nèi)最小回波損耗分別為21.2 d B和22.8 d B,該雙通帶濾波器共有5個(gè)傳輸零點(diǎn),分別位于0.29 GHz/1.97 GHz/3.15 GHz/4.63 GHz/5.13 GHz.傳輸零點(diǎn)TZ1為該四模諧振器的固有零點(diǎn)[5],傳輸零點(diǎn)TZ2和TZ3的產(chǎn)生是因?yàn)橹?jié)之間耦合的效果,傳輸零點(diǎn)TZ4和TZ5則是由彎鉤形饋電線產(chǎn)生的.其中TZ1的產(chǎn)生是由于該新型四模諧振器在TZ1對(duì)應(yīng)的頻率處,端口位置的反射系數(shù)很大,導(dǎo)致S21的幅值很小,從而形成了一個(gè)傳輸零點(diǎn),但是TZ1所處的位置相對(duì)固定.TZ2和TZ3的產(chǎn)生是因?yàn)橐氲闹?jié)耦合,增加了新的傳輸路徑,該傳輸路徑與原有路徑在這兩個(gè)傳輸零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率處相互抵消,從而形成了零點(diǎn).TZ4和TZ5的產(chǎn)生是由于饋電線雙臂長(zhǎng)度Lf2和Lf1分別為這兩個(gè)傳輸零點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率處的1/4波導(dǎo)波長(zhǎng),根據(jù)傳輸線理論,一端開(kāi)路的1/4波長(zhǎng)傳輸線變換到端口處即為短路,從而形成傳輸零點(diǎn),這兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的位置也可以通過(guò)改變饋電線的長(zhǎng)度自由調(diào)節(jié).

表1 雙通帶濾波器性能及參數(shù)對(duì)比

文中設(shè)計(jì)的雙通帶濾波器將高于20 dB抑制的頻帶截止到7.49 GHz,約為第1通帶中心頻率（fC1)的4.96倍,獲得了較寬的阻帶特性.在表1中,筆者將文中工作與文獻(xiàn)[1-2,5-6,9]中的雙通帶濾波器各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了比較,可見(jiàn)該濾波器在帶內(nèi)性能及濾波器尺寸方面都有所改善.由于彎鉤形饋電線產(chǎn)生的兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的抑制作用,該濾波器的阻帶特性也比文獻(xiàn)[5]中的設(shè)計(jì)有了顯著提升.

3 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種新型的枝節(jié)加載環(huán)形四模諧振器,對(duì)結(jié)構(gòu)的諧振特性進(jìn)行了詳細(xì)分析.該結(jié)構(gòu)的4個(gè)諧振模式對(duì)應(yīng)的等效電路均是1/4波長(zhǎng)諧振器,減小了濾波器的尺寸,同時(shí)也提高了高次諧波的頻率;向內(nèi)彎折兩個(gè)開(kāi)路枝節(jié),構(gòu)成枝節(jié)之間的耦合,使重合的兩個(gè)模式分離以形成通帶效應(yīng).利用該諧振器設(shè)計(jì)了一款雙通帶濾波器,彎鉤形的饋電線設(shè)計(jì),引入了兩個(gè)新的傳輸零點(diǎn),有效地抑制了高次諧波,獲得了更寬的阻帶特性.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該款濾波器的優(yōu)良性能,可以廣泛應(yīng)用于各種無(wú)線通信系統(tǒng)中.

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[4]孫守家,吳邊,梁昌洪.新型雙模方環(huán)微帶帶通濾波器[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,41(1):53-56. Sun Shoujia,Wu Bian,Liang Changhong.Novel Dual-mode Square Loop Microstrip Bandpass Filter[J].Journal of Xidian University,2014,41(1):53-56.

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（編輯:王 瑞)

Novel dual-band bandpass filter with wide upper stopband performance

LIN Lei,WU Bian,SU Tao,LIANG Changhong
(Science and Technology on Antenna and Microwave Lab.,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

In traditional design of the dual-band bandpass filter(BPF),two or more resonators need to be utilized,which leads to a relatively large circuit size.For miniaturization,a novel stub-loaded square loop quad-mode resonator is proposed in this paper.Due to the symmetry of the structure,the even-odd-mode method is applied twice to analyze its resonance characteristics.All the four mode equivalent circuits are quarter-wavelength resonators,so the resonator has a compact size and the first harmonic is three times the fundamental one.The resonant frequency of each mode can be tuned freely by changing the corresponding physical dimensions,and the passband frequencies and bandwidths of the designed dual-band filter using the proposed resonator are independently controllable.To improve the selectivity and achieve a wide upper stopband,quarter wavelength hook-shape feedlines are designed to provide appropriate external coupling. Two new transmission zeros are generated by the feedlines.Finally,a microstrip dual-band bandpass filter (BPF)centering at 1.5 and 2.4 GHz with a 3 dB fractional bandwidth(FBW)of 10.7%and 9.6%is designed and fabricated.The measured and simulated results which are in good agreement are presented.

quad-mode resonator;bandpass filter;transmission zero;wide upper stopband

TN713+.5

A

1001-2400（2015)06-0056-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2015.06.010

2014-07-09

時(shí)間:2015-03-13

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（61271017)

林 磊（1987-),男,西安電子科技大學(xué)博士研究生,E-mail:yeslinlei@gmail.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150313.1719.010.html