新型中心開圓形槽的帶通濾波器設(shè)計(jì)

吳　偉,李素萍

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院,鄭州 450002)

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新型中心開圓形槽的帶通濾波器設(shè)計(jì)

吳偉,李素萍

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院,鄭州 450002)

摘要：設(shè)計(jì)了一種新型帶有兩個(gè)三角形切角和中心開圓形槽的雙模橢圓函數(shù)帶通濾波器，并對(duì)該濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究和分析。該濾波器在中心頻率2.28 GHz處，最小插入損耗為0.25 dB，通帶內(nèi)在2.24～2.35 GHz之間插入損耗小于1 dB，在2.27～2.47 GHz之間回波損耗大于20 dB，3 dB相對(duì)帶寬為7.37%。在通帶兩側(cè)2.04 GHz和2.55 GHz處有2個(gè)衰減極點(diǎn)，衰減分別是61.85 dB和45.64 dB，另外，在通帶右側(cè)3.28 GHz處還有一個(gè)65.15 dB的衰減極點(diǎn)。研究表明，該結(jié)構(gòu)能夠減小濾波器的體積，更有利于器件的小型化，同時(shí)還能夠有效減小輻射損耗，使通帶兩側(cè)的衰減變得更好。

關(guān)鍵詞：帶通濾波器；貼片諧振器；雙模；小型化

0引言

隨著集成電路的高度集成化和無線通信的飛速發(fā)展，作為無線通信系統(tǒng)中必不可少的器件之一的濾波器也正在向小型化、高性能化的方向發(fā)展，因此，設(shè)計(jì)出小型化高性能的微波濾波器是濾波器研究的主要內(nèi)容。

在微波集成電路中，微帶線是應(yīng)用非常廣泛的一種傳輸線，它在結(jié)構(gòu)上便于外接微波固體器件。微帶貼片諧振器具有易設(shè)計(jì)、易加工制作、制造成本低、可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地用來設(shè)計(jì)微波濾波器[1-4]和天線[5]。雙模是圓環(huán)的一個(gè)特性，在微波電路中，雙模一般是由不對(duì)稱的饋線、開槽或銷釘?shù)任_激勵(lì)起的2個(gè)簡(jiǎn)并模。通過微擾，可以使它們的諧振頻率發(fā)生分裂，相互間產(chǎn)生耦合，從而產(chǎn)生濾波器的特性，利用雙模間的耦合可以制作帶通濾波器。雙模的首次應(yīng)用是在20世紀(jì)70年代初，Wolff等[6]人用來設(shè)計(jì)和制作帶通濾波器。如今雙模諧振器已成為濾波器小型化最有效的方法之一[7]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)濾波器提出了小型化、高性能化的要求，這也是濾波器設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

文獻(xiàn)[2]提出了一種帶有方形切角和正交槽線的帶通濾波器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的中心頻率較低，通帶內(nèi)的插入損耗較小，濾波器的性能比較好。這是作者所在科研團(tuán)隊(duì)前期研究工作的成果。

為了研究不同結(jié)構(gòu)帶通濾波器的性能特點(diǎn)，以及不同結(jié)構(gòu)的微擾源對(duì)濾波器頻率響應(yīng)的影響，本文設(shè)計(jì)了一種雙模橢圓函數(shù)帶通濾波器。該濾波器在通帶內(nèi)具有較低的插入損耗，較高的回波損耗，并且在通帶兩邊都有較好的衰減極點(diǎn)。因此，該濾波器結(jié)構(gòu)不僅可以有效減小濾波器的體積，更有利于小型化，還可以提高濾波器的性能。

本文設(shè)計(jì)的濾波器結(jié)構(gòu)與只有2個(gè)三角形切角而中心不開圓形槽的濾波器結(jié)構(gòu)相比，降低了中心頻率，減小了通帶內(nèi)最小插入損耗，增大了回波損耗。因此，在微帶諧振器中心開圓形槽后，不僅能夠降低損耗，使濾波器的性能變得更好，而且更有利于小型化。

1帶通濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種新型帶有2個(gè)三角形切角和中心開圓形槽的平面雙模橢圓函數(shù)帶通濾波器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該濾波器結(jié)構(gòu)是在文獻(xiàn)[8]濾波器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在方形貼片諧振器的一條對(duì)角線上切掉2個(gè)小的等腰直角三角形，并在貼片諧振器的中心開一個(gè)圓形槽所得。三角形切角和圓形槽充當(dāng)了微擾源，激勵(lì)起簡(jiǎn)并模并使它們進(jìn)行耦合，在輸出端產(chǎn)生比較理想的傳輸響應(yīng)，在通帶兩側(cè)產(chǎn)生良好的衰減極點(diǎn)。研究結(jié)果表明，圓槽的存在使濾波器的損耗明顯降低，從而使其性能得到較大的改善，同時(shí)降低了諧振頻率，即減小了濾波器的體積，有利于小型化。

圖1　設(shè)計(jì)的中心開圓形槽的帶通濾波器結(jié)構(gòu)的俯視圖

該濾波器結(jié)構(gòu)的介質(zhì)襯底采用相對(duì)介電常數(shù)εr=10.2的RT/Duroid，厚度H=1.27 mm。方形貼片諧振器的邊長a=17.395 mm。方形貼片相鄰兩邊的開槽尺寸均為d=4.5 mm，g=1 mm； potr1和port2分別為輸入、輸出饋線，為了使阻抗匹配，選用特性阻抗為50Ω的饋線，饋線的長和寬分別為b=10.5 mm，w=1.191 mm；2個(gè)等腰直角三角形切角的直角邊長分別為c1=3.5 mm，c2=2.5 mm；貼片中心所開圓形槽的半徑為r=1.8 mm。

2仿真結(jié)果與討論

本文應(yīng)用Ansoft電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果如圖2所示，其中S11是反射系數(shù)，S21是傳輸系數(shù)。

圖2　設(shè)計(jì)的中心開圓形槽的帶通濾波器的頻率響應(yīng)

由圖2可知該濾波器的中心頻率為2.28 GHz，在中心頻率處最小插入損耗為0.25 dB。通帶內(nèi)在2.24～2.35 GHz之間插入損耗小于1 dB，在2.25～2.42 GHz之間回波損耗大于10 dB，在2.27～2.47 GHz之間回波損耗大于20 dB， 3 dB相對(duì)帶寬為7.37%。簡(jiǎn)并模之間的耦合使通帶兩側(cè)的帶外衰減都很理想，從圖2可以看出在通帶兩側(cè)都有衰減極點(diǎn)，并且在通帶右側(cè)有2個(gè)衰減極點(diǎn)，這是設(shè)計(jì)濾波器時(shí)非常想要得到的結(jié)果。通帶兩側(cè)的2個(gè)衰減極點(diǎn)分別在2.04 GHz和2.55 GHz處，衰減分別是61.85 dB和45.64 dB，這2個(gè)衰減極點(diǎn)都離通帶很近，通帶右側(cè)的另外一個(gè)衰減極點(diǎn)在3.28 GHz處，衰減是65.15 dB。仿真結(jié)果表明，該濾波器結(jié)構(gòu)和文獻(xiàn)[8]的結(jié)構(gòu)相比，不僅減小了輻射損耗，通帶兩側(cè)的衰減也變得更好；同時(shí)，還降低了中心頻率，即能夠有效減小濾波器的體積，更有利于濾波器的小型化。

如果在圖1所示的帶通濾波器結(jié)構(gòu)中，中心不開圓形槽，其頻率響應(yīng)如圖3所示。比較圖2和圖3可知，在諧振器中心開圓形槽以后，帶通濾波器的中心頻率由2.32 GHz降為2.28 GHz，通帶內(nèi)最小插入損耗由0.38 dB減小為0.25 dB，且通帶內(nèi)的回波損耗增大。因此，中心開圓形槽后濾波器更有利于小型化，且性能更好。

圖3　中心沒有圓形槽的帶通濾波器的頻率響應(yīng)

本文還研究了濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對(duì)濾波器性能所產(chǎn)生的影響。圖4顯示的是在濾波器其他參數(shù)不變的情況下，中心圓槽半徑r的改變對(duì)帶通濾波器頻率響應(yīng)的影響。其中，c1=3.5 mm,c2=2.5 mm, εr=10.2，H=1.27 mm。由圖4可知，當(dāng)圓槽半徑變化時(shí)，隨著r的減小，中心頻率升高，通帶內(nèi)回波損耗減小，而相對(duì)帶寬增加，通帶兩側(cè)的2個(gè)衰減極點(diǎn)右移，而通帶右側(cè)第2個(gè)衰減極點(diǎn)略微左移。

圖4　圓槽半徑r的改變對(duì)帶通濾波器頻率響應(yīng)的影響

圖5表明了介質(zhì)襯底厚度H的改變對(duì)濾波器頻率響應(yīng)的影響，其中，c1=3.5 mm,c2=2.5 mm,r=1.8 mm，εr=10.2。由圖5可知，當(dāng)H增加時(shí)，濾波器的中心頻率升高，通帶內(nèi)的最小插入損耗增大，回波損耗增大，帶寬減小，通帶左側(cè)和通帶右側(cè)第2個(gè)衰減極點(diǎn)略微右移，而通帶右側(cè)緊鄰?fù)◣У乃p極點(diǎn)基本不受影響。

圖5　襯底厚度H的改變對(duì)帶通濾波器頻率響應(yīng)的影響

圖6是襯底的介電常數(shù)εr改變時(shí)對(duì)濾波器頻率響應(yīng)的影響，其中c1=3.5 mm,c2=2.5 mm,r=1.8 mm，H=1.27 mm。從圖6可以看出，襯底介電常數(shù)的改變，對(duì)濾波器頻率響應(yīng)曲線的形狀影響不大，只是整體移動(dòng)。隨著εr的增加，曲線整體左移，中心頻率降低，帶寬減小，通帶內(nèi)回波損耗增大。

圖6　εr的改變對(duì)帶通濾波器頻率響應(yīng)的影響

也就是說介電常數(shù)對(duì)濾波器的中心頻率有影響，當(dāng)介電常數(shù)增加時(shí)，濾波器的中心頻率將降低，即采用高介電常數(shù)的襯底，可以減小濾波器的尺寸，更有利于小型化，這是濾波器小型化的一種常用方法。

3結(jié)語

在傳統(tǒng)雙模濾波器的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種

新型的帶有2個(gè)三角形切角和中心開圓形槽的平面雙模橢圓函數(shù)帶通濾波器，并對(duì)其進(jìn)行了仿真研究。該濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、新穎，易于設(shè)計(jì)，性能好等優(yōu)點(diǎn)。研究結(jié)果表明，該帶通濾波器的中心頻率為2.28 GHz，通帶內(nèi)最小插入損耗為0.025 dB，3 dB相對(duì)帶寬為7.37%，通帶兩側(cè)均有衰減極點(diǎn)。設(shè)計(jì)的濾波器結(jié)構(gòu)有效降低了輻射損耗，且通帶兩側(cè)的衰減也變得更好。另外，本文還詳細(xì)討論了濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對(duì)濾波器性能的影響，這對(duì)濾波器的實(shí)際設(shè)計(jì)有著重要的意義?？傊疚脑O(shè)計(jì)的濾波器結(jié)構(gòu)不僅有效減小了輻射損耗，提高了濾波器的性能，還減小了濾波器的體積，更有利于小型化，使濾波器便于在微波集成電路中使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李素萍,王子華,李英,等.新型的平面雙模橢圓函數(shù)帶通濾波器[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào),2006,25(5):368-371.

[2] 李素萍,蔡洪濤,吳偉.帶有方形切角和正交槽線的帶通濾波器設(shè)計(jì)[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2011,32(1):104-106.

[3] 王學(xué)東.無線通信系統(tǒng)中的微波濾波器性能及小型化研究[D].上海:上海大學(xué),2004:81-85.

[4] Tseng C H,Shao H Y.A new dual-band microstrip bandpass filter using net-type resonators[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2010,20(4):196-198.

[5] Deshmukh A A,Ray K P.Multi-band configurations of stub-loaded slotted rectangular microstrip antennas[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2010,52(1):89-103.

[6] Wolff I. Microstrip bandpass filter using degenerate modes of a microstrip ring resonator[J].Electronics Letters,1972,8(12):302-303.

[7] Athukorala L, Budimir D. Design of compact dual-mode microstrip filters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2010,58(11):2888-2895.

[8] Hsieh L H,Chang K.Dual-mode elliptic-function bandpass filter using one single patch resonator without coupling gaps[J].Electronics Letters, 2000,36(24):2022-2023.

The Design to Novel Bandpass Filter with Circular Slot

WU Wei, etc.

(ZhengzhouUniversityofLightIndustry,Zhengzhou450002,China)

Abstract：A novel planar dual-mode bandpass filter with two triangle corner cuts and a circular slot is designed. A simulation research and analysis to the structure of this filter have been made. The center frequency is about 2.28 GHz and the minimum insertion loss is 0.25 dB. This filter has an insertion loss <1 dB within 2.24-2.35 GHz, return loss >20 dB within 2.27-2.47 GHz, and the 3 dB fractional bandwidth is 7.37%. There are two attenuation poles on both sides of the pass band. They are 61.85 dB and 45.64 dB at the frequency of 2.04 GHz and 2.55 GHz, respectively. There is also a attenuation pole on the right side of the pass band. It is 65.15 dB at the frequency of 3.28 GHz. The simulated results show that the size of designed filter is reduced, so it makes easy miniaturization. In addition, this filter can reduce radiation loss effectively, and make a better development on the attenuation on both sides of the pass band.

Key words：band pass filter; patch resonator; dual-mode; miniaturization

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-8984(2016)01-0057-03

中圖分類號(hào)：TN713

作者簡(jiǎn)介：吳偉(1977-), 男(漢), 河南光山, 碩士

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61302118)

收稿日期：2016-02-24

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.013

鄭州市科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(112PPTGY249-2)

河南省教育廳自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011B 550013)

鄭州輕工業(yè)學(xué)院青年骨干教師培養(yǎng)對(duì)象資助項(xiàng)目(XGGJS03)

主要研究無線通信、微波技術(shù)、微波器件。