一種新型小型化交叉耦合帶通濾波器的設(shè)計(jì)

馬潤(rùn)波， 閆建國(guó)， 陳新偉， 閆麗云， 韓麗萍

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院, 山西太原 030006)

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一種新型小型化交叉耦合帶通濾波器的設(shè)計(jì)

馬潤(rùn)波， 閆建國(guó)， 陳新偉， 閆麗云， 韓麗萍

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院, 山西太原 030006)

摘要:本文設(shè)計(jì)了一種基于階躍阻抗諧振器的新型嵌入式交叉耦合帶通濾波器. 為使濾波器小型化， 設(shè)計(jì)了兩種緊湊型階躍阻抗諧振器結(jié)構(gòu). 通過(guò)研究和改善諧振器間的耦合機(jī)制， 可使兩種諧振器不僅形成嵌入式結(jié)構(gòu)， 而且縮減了饋線占據(jù)的面積， 進(jìn)一步減小了含饋線在內(nèi)整個(gè)帶通濾波器的尺寸. 為驗(yàn)證此方法的可行性， 利用濾波器綜合法設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為2.4 GHz， 相對(duì)帶寬FBW為15%的4階交叉耦合帶通濾波器， 其最終設(shè)計(jì)尺寸為28 mm×20 mm(0.37λspan×0.26λspan，λspan為中心頻率所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波波長(zhǎng)). 對(duì)該濾波器進(jìn)行了仿真、 加工和測(cè)試， 結(jié)果表明該濾波器具有所需的廣義切比雪夫特性， 且互相吻合得很好.

關(guān)鍵詞:階躍阻抗諧振器； 交叉耦合； 帶通濾波器； 傳輸零點(diǎn)； 小型化

針對(duì)微波通信系統(tǒng)中小型化和高性能濾波器的設(shè)計(jì)， 眾多研究者提出了各種有效的方法和結(jié)構(gòu)， 其中平面結(jié)構(gòu)濾波器由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、 易于加工的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用. 諧振器作為濾波器中的基本單元， 對(duì)濾波器的尺寸和性能有直接影響. 例如， 采用開路半波長(zhǎng)平行耦合線作為諧振器是常見的濾波器設(shè)計(jì)方法， 為克服其尺寸過(guò)大的缺陷[1]， 經(jīng)常將平行耦合線彎折， 形成發(fā)夾型諧振器以減小尺寸是許多設(shè)計(jì)采用的方法[2]. 此外， Makimoto等學(xué)者提出了階躍阻抗諧振器(SIR)， 可以明顯減小諧振器尺寸， 同時(shí)還能夠靈活控制第一雜散頻率[3]. 文獻(xiàn)[4]采用了改進(jìn)的發(fā)夾型SIR， 而且諧振器末端的耦合線部分相當(dāng)于加載了一個(gè)電容， 實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步減小諧振器尺寸的目的.

除諧振器外， 濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是影響其尺寸和性能的重要因素. 與傳統(tǒng)的巴特沃茲和切比雪夫響應(yīng)型濾波器相比， 廣義切比雪夫響應(yīng)濾波器通過(guò)在邊帶和阻帶內(nèi)引入傳輸零點(diǎn)的方法來(lái)提高濾波器的選擇性和帶外抑制特性， 由Cameron等學(xué)者逐漸完善了對(duì)應(yīng)的廣義耦合矩陣綜合方法[5]， 并出現(xiàn)了眾多的交叉耦合濾波器設(shè)計(jì)方法[6-8]. 結(jié)合諧振器結(jié)構(gòu)和交叉耦合設(shè)計(jì)方法， 文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種嵌入式的交叉耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 在較大程度上減小了濾波器的尺寸.

為充分滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)微波器件小型化越來(lái)越高的需求， 本文基于發(fā)夾型階躍阻抗諧振器和一種新穎的彎折小型化階躍阻抗諧振器， 采用嵌入式的交叉耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為2.4 GHz， 相對(duì)帶寬為15%的小型化四階交叉耦合帶通濾波器， 并經(jīng)仿真、 加工和測(cè)試驗(yàn)證了其性能.

1濾波器結(jié)構(gòu)及其小型化諧振器

本文設(shè)計(jì)的帶通濾波器采用了Rogers RO 4350介質(zhì)基板， 其相對(duì)介電常數(shù)εr=3.48， 基板厚度h=0.762 mm， 包含上下兩層金屬， 下層金屬為地層， 上層金屬為諧振器層. 圖 1 給出了諧振器層所包含的4個(gè)諧振器及饋線結(jié)構(gòu).

圖 1　濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The structure of the proposed filter

由于諧振器大小決定著濾波器的整體尺寸， 本文設(shè)計(jì)了兩種基于半波長(zhǎng)SIR的小型化結(jié)構(gòu)， 分別對(duì)應(yīng)圖1中類似發(fā)夾型的諧振器1與4以及充分彎折的諧振器2和3. 在結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)中， 首先考慮了以下幾種方法來(lái)減小諧振器尺寸：

1) 兩種諧振器都采用了階躍阻抗結(jié)構(gòu)， 可以減小諧振器的電長(zhǎng)度. 考慮到后面設(shè)計(jì)的濾波器實(shí)際工作于2.4 GHz， 并設(shè)定兩種半波長(zhǎng)SIR的阻抗比分別為0.81和0.88， 則根據(jù)文獻(xiàn)[10]提到的SIR特性， 可得兩種諧振器的物理長(zhǎng)度均大約為31 mm；

圖 2　諧振頻率f隨縫隙寬度g的變化曲線Fig.2　The relationship between f and g

2) 對(duì)SIR諧振器進(jìn)行結(jié)構(gòu)彎折可以充分利用有效面積. 在諧振器總長(zhǎng)度不變的情況下， 結(jié)合CST三維電磁仿真軟件， 經(jīng)優(yōu)化和微調(diào)最終確定圖1中各諧振器及50 Ω饋線的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：h1=10.6 mm，h2=12.72 mm，h3=1.4 mm，h4=1 mm，h5=1 mm，h6=1.4 mm，w1=0.9 mm，w2=1.14 mm，w3=0.5 mm，w4=0.8 mm，w5=1.73 mm，w6=0.4 mm，l1=4.5 mm，l2=1.5 mm，l3=9.5 mm，l4=1.5 mm，l5=5.5 mm，l6=0.3 mm，l7=0.6 mm，l8=3.45 mm；

3) 諧振器2和3中間的平行耦合線間距為g， 且靠近諧振器開路端具有明顯的電容效應(yīng)， 等效為在諧振器開路端加載電容[4]， 相當(dāng)于增加了諧振器有效電長(zhǎng)度， 減小了物理尺寸. 在保持諧振器2和3金屬總長(zhǎng)度不變的情況下， 圖 2 給出了其諧振頻率f隨間距g的變化曲線. 可以看出，f隨g的減小逐漸減小， 這有利于諧振器2和3的小型化. 此處選擇g=0.72 mm以實(shí)現(xiàn)2.4 GHz諧振.

此外， 在圖 1 所示濾波器結(jié)構(gòu)中的諧振器1與4的開路端具有較強(qiáng)的電場(chǎng)分布， 它們相互之間經(jīng)縫隙s14可以實(shí)現(xiàn)電耦合； 而諧振器2和3的相鄰部分具有強(qiáng)電流分布特點(diǎn)， 經(jīng)其間縫隙s23可實(shí)現(xiàn)磁耦合. 一般來(lái)講， 在利用綜合法設(shè)計(jì)濾波器的過(guò)程中， 電耦合系數(shù)要遠(yuǎn)小于磁耦合系數(shù)和混合耦合系數(shù). 為了得到較小的耦合系數(shù)， 就需要加大電容耦合兩諧振器間的距離， 從而增大濾波器的尺寸， 不利于小型化. 而本文設(shè)計(jì)的諧振器1和4之間的耦合面積較小， 所以很小的縫隙s14即可滿足較小電耦合系數(shù)的要求.

通過(guò)上述方法， 諧振器2與3具有很小的尺寸， 可以分別被嵌入到諧振器1和4內(nèi)部. 這不僅能夠充分減小整個(gè)濾波器的尺寸， 而且便于實(shí)現(xiàn)各諧振器間的耦合. 此處諧振器1與2之間、 3與4之間則通過(guò)縫隙s12實(shí)現(xiàn)混合電磁耦合. 與傳統(tǒng)交叉耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比， 嵌入式結(jié)構(gòu)的尺寸減小約50%.

更進(jìn)一步， 得益于尺寸非常小的諧振器2、 3， 發(fā)夾型諧振器1、 4即使在分別嵌入它們之后， 內(nèi)部仍然具有很大空隙(如圖1虛線所示). 因此， 可以將諧振器1、 4的中部寬度為w3的傳輸線向內(nèi)彎折， 一方面實(shí)現(xiàn)了空間的充分利用， 另一方面可以將饋線向結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)牽引， 這實(shí)現(xiàn)了對(duì)含饋線在內(nèi)整個(gè)帶通濾波器的充分小型化. 值得一提的是， 雖然此時(shí)諧振器1的寬度為w3的傳輸線， 與諧振器2的開路端的間距變得較近， 但由于它們附近分別呈現(xiàn)出強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)的特性， 相互之間的耦合很小， 因此諧振器1與2之間主要還是通過(guò)縫隙s12實(shí)現(xiàn)混合電磁耦合， 諧振器3與4之間也一樣. 由此可見， 各諧振器間的耦合可以通過(guò)不同的縫隙獨(dú)立調(diào)節(jié)， 這能夠減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜性. 此外， 由于諧振器1、 4向內(nèi)彎折， 饋電點(diǎn)的位置可以在不改變電路尺寸的情況下進(jìn)行大范圍靈活調(diào)節(jié)， 這使得外品質(zhì)因數(shù)Qe具有較大的可調(diào)范圍， 能夠滿足不同帶寬濾波器的設(shè)計(jì)需求.

2濾波器綜合設(shè)計(jì)

本文預(yù)設(shè)交叉耦合帶通濾波器的中心頻率為2.4 GHz， 相對(duì)帶寬為15%， 以此為指標(biāo)按圖 3 所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4階廣義切比雪夫響應(yīng)濾波器， 并具體由圖 1 所示濾波器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn). 由文獻(xiàn)[11]可得對(duì)應(yīng)的低通原型中各元件值：g1=0.959 7，g2=1.421 9，J1=-0.210 8，J2=1.117 7. 由此計(jì)算出滿足該指標(biāo)濾波器所需的耦合系數(shù)及外品質(zhì)因數(shù)分別為

(1)

(2)

(3)

(4)

圖 3　帶通濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3　The topological structure of the BPF

圖 4　耦合系數(shù)Mij的絕對(duì)值隨諧振器間距離sij變化曲線Fig.4　The relationship between the absolute value of Mijand sij

耦合系數(shù)是直接影響濾波器指標(biāo)及性能的重要參數(shù). 在交叉耦合帶通濾波器的設(shè)計(jì)中， 為了實(shí)現(xiàn)傳輸零點(diǎn)， 需同時(shí)滿足3種類型的耦合， 即電耦合、 磁耦合及混合耦合. 根據(jù)文獻(xiàn)[11]， 利用弱耦合法提取諧振器間的耦合系數(shù)， 若得到的特征頻率分別為fa和fb， 則可由此計(jì)算出

(5)

圖 4 是耦合系數(shù)Mij的絕對(duì)值(i,j分別代表諧振器編號(hào)， 其中電耦合系數(shù)M14為負(fù)值)隨對(duì)應(yīng)兩諧振器間距離sij的變化曲線. 可以看出， 隨著諧振器間的距離變大， 耦合系數(shù)的絕對(duì)值逐漸減小.

除耦合系數(shù)外， 濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)為外品質(zhì)因數(shù). 外品質(zhì)因數(shù)的提取可利用圖 5 所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成， 從而確定抽頭的位置t. 由文獻(xiàn)[11]可知

(6)

圖 5　抽頭線耦合結(jié)構(gòu)圖Fig.5　The tapped line coupling structure

圖 6　外品質(zhì)因數(shù)Qe隨t的變化曲線Fig.6　The relationship between Qeand t

根據(jù)圖 4 和圖 6 中的曲線， 可最終確定諧振器間的間距分別為s12=0.27 mm，s23=0.327 mm，s14=0.28 mm； 抽頭的位置t=5.22 mm.

3仿真及測(cè)試結(jié)果

為了檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)交叉耦合帶通濾波器的性能， 我們對(duì)綜合設(shè)計(jì)出的濾波器進(jìn)行了仿真、 加工和測(cè)試. 圖 7 為所加工的濾波器實(shí)物圖， 其尺寸為28 mm × 20 mm (0.37λg×0.26λg).

圖 7　濾波器實(shí)物圖Fig.7　The photograph of the filter

圖 8　濾波器的仿真及測(cè)試S參數(shù)曲線Fig.8　The simulated and measured S-parameter results

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5230A對(duì)加工濾波器的S參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量. 圖 8 給出了該濾波器的仿真與測(cè)試結(jié)果的S參數(shù)曲線. 從圖中可以看出仿真中心頻率位于2.4 GHz處， -3 dB的通頻帶范圍為： 2 207 MHz～2 576 MHz， 相對(duì)帶寬約為15.4%. 通帶內(nèi)的反射系數(shù)小于-14 dB， 插入損耗為 0.8 dB. 測(cè)試的中心頻率位于2.37 GHz處， -3 dB通頻帶范圍為： 2 205 MHz～2 545 MHz， 相對(duì)帶寬約為14.5%. 通帶內(nèi)的反射系數(shù)小于-10 dB， 插入損耗約為1.5 dB. 通帶較為平坦， 在2.09 GHz和 2.71 GHz 處分別有一個(gè)傳輸零點(diǎn)， 從而使邊緣變得更加陡峭， 提高了濾波器的邊緣選擇特性， 而帶外抑制優(yōu)于25 dB， 這表明該濾波器具有良好的通帶和阻帶特性.

表 1　參考文獻(xiàn)濾波器及本文設(shè)計(jì)濾波器對(duì)照表

表 1 為本文設(shè)計(jì)的濾波器與文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的濾波器在尺寸及性能方面的對(duì)比， 其中λg為各濾波器中心頻率對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波波長(zhǎng). 可見， 本文所設(shè)計(jì)濾波器在具有較小尺寸的條件下， 仍然保持了較低的插入損耗， 這反映了該濾波器能夠滿足小型化和高性能的要求， 本文提出的濾波器結(jié)構(gòu)具有較小的尺寸和較低的插入損耗.

4結(jié)論

本文利用濾波器綜合法設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為2.4 GHz， 相對(duì)帶寬FBW為15%的小型化4階平面交叉耦合帶通濾波器. 為使濾波器小型化， 設(shè)計(jì)了兩種緊湊型階躍阻抗諧振器結(jié)構(gòu). 通過(guò)研究和改善諧振器間的耦合機(jī)制， 兩種諧振器不僅可實(shí)現(xiàn)嵌入式結(jié)構(gòu)， 而且能把饋線向結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)牽引， 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了含饋線在內(nèi)整個(gè)帶通濾波器的小型化. 濾波器最終尺寸為28 mm×20 mm(0.37λg× 0.26λg)， 且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 易于加工的特點(diǎn). 對(duì)該濾波器進(jìn)行加工測(cè)試， 實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合， 結(jié)果表明該設(shè)計(jì)具有較低插入損耗及良好的邊緣選擇性和帶外抑制特性， 能夠滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)小型化高性能濾波器的要求.

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Design of the Novel Miniaturized Cross-Coupled Band-Pass Filter

MA Runbo, YAN Jianguo, CHEN Xinwei, YAN Liyun, HAN Liping

(College of Physics and Electronic Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

Abstract:A novel embedded cross-coupled filter based on stepped impedance resonators is proposed in this paper. Two kinds of compact stepped impedance resonator structures are designed to realize the miniaturization of the filter. By studying and improving the coupling mechanism, the two resonators can not only form the embedded structure, but also reduce the area occupied by the feed line, which further reduce the size of the whole band-pass filter including the feed structure. In order to verify the feasibility of this approach, fourth-order cross-coupled band-pass filter with center frequency of 2.4 GHz and relative bandwidth of 15% was designed by using filter synthesis method.. The filter occupies a very small size of 28 mm×20 mm(0.37λspan× 0.26λspan，whereλspanis the guided wavelength corresponding with the center frequency). Finally it is fabricated and measured. The measured and simulated results show that the filter has the generalized Chebyshev characteristics，and they match each other very well.

Key words:stepped impedance resonator; cross-coupled; band-pass filter； transmission zeros; miniaturization

中圖分類號(hào):TN713+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.01.013

作者簡(jiǎn)介：馬潤(rùn)波(1974-)， 男， 副教授， 博士，主要從事平面天線、 微波器件和電路的研究.

基金項(xiàng)目：山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012011013-3)； 山西省青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2010021015-1， 2014021021-1)

收稿日期:2015-11-01

文章編號(hào):1671-7449(2016)01-0069-05