調(diào)諧短截線彎曲方環(huán)寬帶帶通濾波器設(shè)計

李雅靜，馮立營，劉新月

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津300222）

調(diào)諧短截線彎曲方環(huán)寬帶帶通濾波器設(shè)計

李雅靜，馮立營，劉新月

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津300222）

設(shè)計了一種緊湊的新型寬帶雙模帶通濾波器。該濾波器基于一個直連饋線彎曲方環(huán)諧振器的帶阻結(jié)構(gòu)，加載調(diào)諧短截線構(gòu)成帶通濾波器，通過將所加載短截線彎曲實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化。此外，方環(huán)1/4角上放置微擾并在側(cè)面阻帶位置激起的模式可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的選擇性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：濾波器的中心頻率為5.41 GHz，3 dB帶寬為59.5%，插入損耗為0.16 dB，帶內(nèi)的反射損耗大于11 dB，符合設(shè)計要求。

雙模；調(diào)諧短截線；帶通濾波器；彎曲方環(huán)諧振器

高品質(zhì)、小型化、低成本的微帶濾波器在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。微帶環(huán)形諧振器可以滿足這些特點(diǎn)，在帶通濾波器的設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用［1］。為更好地發(fā)揮環(huán)形濾波器的優(yōu)勢，1972年Wolff等［2］提出了微帶環(huán)形雙模濾波器。然而傳統(tǒng)的端到線耦合結(jié)構(gòu)容易引入較大的插入損耗［3］，饋線和微帶線之間的耦合縫隙也會影響諧振器的諧振頻率。文獻(xiàn)［4-5］提出使用加強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)或加載電容等方式來降低較高的插入損耗。但使用加強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)的諧振器仍然存在耦合縫隙，而使用加載電容耦合的諧振器也不易實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［6］提出采用高溫超導(dǎo)材料設(shè)計環(huán)形諧振器來降低插入損耗，但其加工工藝復(fù)雜。文獻(xiàn)［7］提出使用方環(huán)諧振器直連饋線的帶阻結(jié)構(gòu)，加載短截線形成寬帶帶通濾波器，這種結(jié)構(gòu)不存在耦合縫隙，克服了較大插入損耗的缺陷，但短截線增加了電路尺寸。本文提出一種帶有調(diào)諧短截線的彎曲方環(huán)寬帶帶通濾波器。該帶通濾波器基于直連饋線的環(huán)形諧振器帶阻結(jié)構(gòu)，將調(diào)諧短截線加載在與1/4波長彎曲方環(huán)輸入輸出端口正交的角上，采用彎曲折線調(diào)諧短截線減小濾波器的尺寸。這些調(diào)諧短截線既產(chǎn)生了通帶，又可以調(diào)節(jié)中心頻率。另外，該濾波器還在彎曲方環(huán)正交的角上引入微擾，在帶通濾波器右側(cè)阻帶的位置激起簡并模式，從而產(chǎn)生通帶的傳輸零點(diǎn)，提高了通帶的頻率選擇性。

1　正交直連饋線彎曲方環(huán)帶阻特性

正交直連饋線彎曲方環(huán)雙模帶阻濾波器如圖1所示。該帶阻濾波器的簡并模式由加在彎曲方環(huán)正交角上的微擾激起，中心頻率為5.39 GHz。濾波器采用相對介電常數(shù)為6.15、厚度為0.64 mm的介質(zhì)基片制作，通過HFSS10.0進(jìn)行設(shè)計和仿真。所設(shè)計濾波器各部分的尺寸分別為L1=3 mm、L2=2.89 mm、L3=2.75 mm、W1=0.72 mm。由于該濾波器結(jié)構(gòu)對稱，可以采用奇偶模理論進(jìn)行分析，該濾波器的奇偶模等效電路如圖2所示。微擾p取不同值時所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)情況如圖3所示，從圖3中可以看出微擾的加入可以展寬阻帶范圍，當(dāng)微擾p取0.72 mm時得到較好的頻率響應(yīng)，且得到從1 GHz到5.9 GHz較寬的阻帶范圍。

圖1　正交直連饋線彎曲方環(huán)帶阻濾波器

圖2　帶阻濾波器的奇偶模等效電路

圖3　帶阻濾波器不同微擾大小的頻率響應(yīng)

2　加載調(diào)諧短截線的彎曲方環(huán)寬帶帶通濾波器

基于上文所設(shè)計的帶阻濾波器結(jié)構(gòu)，將一對調(diào)諧短截線加載在與其輸入輸出端口相對的面上，得到一個寬帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)，如圖4所示。為節(jié)省空間，將所加載短截線彎曲得到濾波器結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)不加微擾時所設(shè)計濾波器的中心頻率為5.49 GHz。由于右側(cè)阻帶的簡并模式可以引起通帶的傳輸零點(diǎn)，因此通帶的選擇性可以通過改變微擾的尺寸來控制。不同微擾尺寸所對應(yīng)的頻率響應(yīng)如圖6所示。從圖6中可以看出微擾尺寸為零時，阻帶的簡并模式不能被激起。同時，改變微擾的尺寸可以影響帶通濾波器的邊帶。

圖4　加載直調(diào)諧短截線的彎曲方環(huán)濾波器

圖5　加載彎調(diào)諧短截線的彎曲方環(huán)濾波器

圖6　帶通濾波器不同微擾大小的頻率響應(yīng)

3　濾波器測試

根據(jù)以上分析，通過調(diào)整優(yōu)化，得到該濾波器的具體參數(shù)為L1=3 mm、L2=2.89 mm、L3=2.75 mm、L4=4.08 mm、W1=0.72 mm、W2=0.36 mm、微擾p= 0.72 mm。對所設(shè)計的濾波器進(jìn)行加工后的實(shí)物如圖7所示。通過AV3629矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試所設(shè)計濾波器的S參數(shù)。濾波器的仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果如圖8所示，兩者吻合良好。測量結(jié)果中，中心頻率為5.41 GHz，3 dB帶寬為59.5%，插入損耗為0.16 dB，帶內(nèi)的反射損耗大于11 dB。4個傳輸零點(diǎn)分別位于3.17 GHz、3.66 GHz、7.33 GHz和7.58 GHz。

圖7　設(shè)計濾波器的實(shí)物圖

圖8　濾波器仿真和測試結(jié)果圖

4　結(jié)束語

本文設(shè)計了一種新型緊湊雙模寬帶帶通濾波器。該濾波器基于直連饋線的彎曲方環(huán)帶阻結(jié)構(gòu)，50 Ω輸入輸出饋線放置于1/4波長彎曲諧振環(huán)上，同時將調(diào)諧短截線加載在與輸入輸出饋線相對的角上，產(chǎn)生的兩側(cè)窄帶形成寬帶，從而構(gòu)成寬帶帶通濾波器。通過改變加載在諧振器正交角上微擾的尺寸可以控制帶通濾波器的傳輸零點(diǎn)。此外，將所加載的調(diào)諧短截線彎曲減小了濾波器的尺寸。仿真和實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了該濾波器的優(yōu)良性能，它可以廣泛地應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)中。

［1］CHANG K.Microwave ring circuits and antennas［M］.New York：Wiley，1996.

［2］WOLFF I.Microstrip bandpass filters using degenerate modes of a microstrip ring resonators［J］.Electronic Letter，1972，8（12）：163-164.

［3］HSICH L H，CHANG K.Compact dual-mode elliptic-function bandpass filter using a single ring resonator with one coupling gap［J］.Electronic Letter，2000（19）：1626-1627.

［4］GOPALAKRISHNAN G K，CHANG K.Novel excitation schemes for the microstrip ring resonator with lower insertion loss［J］.Electronic Letter，1994，30（2）：148-149.

［5］MATSUO M，YABUKI H，MAKIMOTO M.Dual-mode stepped impedance ring resonator for bandpass filter applications［J］.IEEE Transaction on Microwave Theory Technique，2001，49（3）：1235-1240.

［6］HONG J S，LANCASTER M，JEDAMZIK D.On the development of superconducting microstrip filters for mobile communications applications［J］.IEEE Transaction on Microwave Theory and Technique，1999，47（2）：1656-1663.

［7］HSIEH L H，CHANG K.Compact，low insertion-loss，sharprejection and wide-band microstrip bandpass filters［J］. IEEE Transaction on Microwave Theory and Technique，2003，51（4）：1241-1246.

Wideband bandpass filter based on meander square loop using tuning stub

LI Ya-jing，F(xiàn)ENG Li-ying，LIU Xin-yue
（Institute of Antenna and Microwave Techniques，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

A dual-mode wide-band bandpass filter is proposed with a compact size.The designed filter is based on a bandstop configuration of direct-connected feed lines to meander ring resonator.The wide-band bandpass can be constructed according to locate the tuning stub.In order to reduce the size of the filter，located tuning stub is bent.In addition，the perturbation patch placed on the orthogonal corners of the square ring can excite the degenerate modes of the side stop band，which can realize the selectivity of bandpass filter.The center frequency of the design and fabrication filter is 5.41 GHz，3 dB bandwidth is 59.5%，insertion loss is 0.16 dB，the reflection loss is greater than 11 dB.

dual-mode；tuning stub；bandpass filter；meander square loop resonator

TN713.5

A

2095－0926（2016）03－0040－03

2016-08-29

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項(xiàng)目（14JCQNJC01100）；天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)科研發(fā)展基金資助項(xiàng)目（KJ14-36）.

李雅靜（1980—），女，講師，碩士，研究方向?yàn)殡姶艌雠c微波技術(shù)、計算電磁學(xué).