多傳輸零點(diǎn)的新型五通帶多模濾波器

龐豆豆，熊 陽，何 明,2，季 魯，張金利

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多傳輸零點(diǎn)的新型五通帶多模濾波器

龐豆豆1，熊 陽1，何 明1,2，季 魯1，張金利1

（1. 南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津 300350；2. 天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

針對(duì)目前多模濾波器通帶數(shù)量以及通帶選擇性有待提高的問題，提出一款新型的基于枝節(jié)加載諧振器的五通帶多模濾波器。該濾波器采用了一種新型的饋電和耦合方式，可以獨(dú)立控制外部品質(zhì)因數(shù)和控制多數(shù)通帶的耦合系數(shù)。該濾波器不需要過孔，制作簡(jiǎn)單。由于源-負(fù)載之間的耦合以及多徑傳輸效應(yīng)的影響，產(chǎn)生了多個(gè)傳輸零點(diǎn)，提高了通帶的選擇性。進(jìn)行了濾波器的設(shè)計(jì)，制作和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，濾波器的五個(gè)中心頻率位于1.6，3，3.8，4.7，5.7 GHz，其相對(duì)帶寬分別為12.5%，11.7%，5.48%，8.51%，4.37%。

五通帶微波濾波器；多模濾波器；多傳輸零點(diǎn)；多徑傳輸；枝節(jié)加載諧振器；可控外部品質(zhì)因數(shù)

在現(xiàn)代多功能無線通信系統(tǒng)中，多通帶微波濾波器是一個(gè)重要的部分，而多模多通帶微波濾波器的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)濾波器小型化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。目前已經(jīng)有很多雙通帶和三通帶多模濾波器的報(bào)道，但是關(guān)于五通帶及以上的多模濾波器的報(bào)道非常少，性能也需要進(jìn)一步改善。利用微帶線設(shè)計(jì)多通帶濾波器的方法有以下幾種：1. 并聯(lián)多個(gè)單通帶濾波器來構(gòu)成多通帶濾波器[1-3]，這種方法可以達(dá)到相對(duì)較高的通帶數(shù)量，其缺點(diǎn)在于占用體積過大；2. 利用多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)多通帶濾波器[4-5]，這種方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是因?yàn)槎鄬拥慕橘|(zhì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)制作工藝有很高的要求；3. 利用多模諧振器來設(shè)計(jì)多通帶微波濾波器[6-12]，這種濾波器通常采用枝節(jié)加載和階躍阻抗諧振器來設(shè)計(jì)，擁有相對(duì)較小的尺寸，但是性能需要進(jìn)一步提高，而且通常需要采用過孔，這給濾波器的制作增加了困難。

針對(duì)以上問題，本文提出了一款基于枝節(jié)加載諧振器的新型無過孔多模濾波器，這款濾波器包括兩個(gè)對(duì)稱放置的諧振器，每個(gè)諧振器由加載了三個(gè)枝節(jié)的半波長(zhǎng)諧振器構(gòu)成，文中提出了一種新型的饋電方法和耦合方式，可以獨(dú)立控制五個(gè)通帶的外部品質(zhì)因數(shù)，通帶的耦合系數(shù)可以調(diào)節(jié)。由于源-負(fù)載之間的耦合以及多徑傳輸效應(yīng)，多個(gè)傳輸零點(diǎn)形成于通帶周圍，零點(diǎn)的位置可以通過改變?cè)春拓?fù)載之間的耦合強(qiáng)度來調(diào)節(jié)。對(duì)濾波器進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真、制作和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果證明了該濾波器的可行性。

1 濾波器分析與設(shè)計(jì)

1.1 諧振頻率

本文提出的五通帶濾波器的版圖如圖1(a)所示，濾波器主要包括兩個(gè)對(duì)稱放置的枝節(jié)加載諧振器，饋線源-負(fù)載耦合的引入是為了增加傳輸零點(diǎn)的個(gè)數(shù)，圖中包括了濾波器的長(zhǎng)度和間距參量。圖1(b)所示為提出的多模諧振器的結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)均勻阻抗諧振器。諧振器的理想模型如圖1(c)所示，為了分析簡(jiǎn)化，所有的特征阻抗都由0表示，也就是1=2=3=4=5=6=7=0，相應(yīng)的特征導(dǎo)納為0=1/0。

圖1 (a)五通帶濾波器版圖；(b)諧振器結(jié)構(gòu)圖；(c)諧振器的理想模型

諧振頻率由諧振條件m(in)=0決定，這里in是從圖1(c)中所示處看進(jìn)去的輸入導(dǎo)納。諧振頻率的計(jì)算如下所示：

（2）

（3）

式中：θ(= 1, 2, …, 7)表示諧振器對(duì)應(yīng)枝節(jié)的電長(zhǎng)度。由如上所示的式(1)~(3)可以得出輸入導(dǎo)納in。

圖2(a)所示為輸入導(dǎo)納的虛部m(in)隨頻率的變化曲線，根據(jù)諧振條件m(in)=0可以觀察到五個(gè)諧振頻率，也就是p1，p2，p3，p4，p5，如圖2(a)所示。為了研究諧振頻率和枝節(jié)長(zhǎng)度的關(guān)系，繪制了五幅曲線圖，如圖2(b)，(c)，(d)，(e)和(f)所示。整體來看，可以看到6主要影響第四個(gè)諧振頻率p4，但是對(duì)其他四個(gè)諧振頻率幾乎沒有影響；7主要影響第四個(gè)諧振頻率p4和第二個(gè)諧振頻率p2；4主要影響諧振頻率p4，p3和p2；2主要影響諧振頻率p5，p3和p2；1對(duì)p5，p3，p2和p1都有影響，但是對(duì)p4沒有影響。這樣通過調(diào)節(jié)枝節(jié)長(zhǎng)度，五個(gè)諧振頻率可以得到控制。經(jīng)過優(yōu)化，諧振器的最終尺寸分別為1= 80.5°，2= 18.67°，3= 26.04°，4= 32°，5=17.26°，6= 24.16°，7= 38.75°。

1.2 外部品質(zhì)因數(shù)和耦合系數(shù)

濾波器帶寬取決于外部品質(zhì)因數(shù)和耦合系數(shù)，其中外部品質(zhì)因數(shù)取決于饋線和諧振器之間的耦合，耦合系數(shù)取決于諧振器之間的耦合。對(duì)本文提出的濾波器來說，外部品質(zhì)因數(shù)由15個(gè)參數(shù)決定，分別是饋線和諧振器間距1，2，3，4，5，6，7，8，9，10以及饋線與諧振器之間的耦合長(zhǎng)度8，9，10，11，12；通帶內(nèi)耦合系數(shù)由1，2，3，4決定。五個(gè)通帶的外部品質(zhì)因數(shù)由不同的參數(shù)控制，是獨(dú)立可控的。為了證明這一點(diǎn)，作者采用參考文獻(xiàn)[1]中的方法，利用單端口群時(shí)延提取了五個(gè)通帶的外部品質(zhì)因數(shù)，結(jié)果如圖3所示。為簡(jiǎn)化分析過程，只選取了部分代表性的參數(shù)。

圖2 (a) Im(Yin)隨頻率的變化和五個(gè)諧振頻率fp1, fp2, fp3, fp4和fp5隨電長(zhǎng)度(b) θ1, (c) θ2,(d) θ4,(e) θ6,(f) θ7的變化

圖3 外部品質(zhì)因數(shù)隨(a)g1, (b)g7, (c)g10, (d)L9, (e)L11的變化

從圖3所示的外部品質(zhì)因數(shù)隨不同參數(shù)的變化曲線圖可以看出，第一通帶的外部品質(zhì)因數(shù)主要受1和10的影響；而10和11影響第二通帶；1，10，9和11影響第三通帶；7和10影響第四通帶；1，9和11影響第五通帶。五個(gè)通帶的外部品質(zhì)因數(shù)分別由不同的參數(shù)決定，因此是獨(dú)立可控的。通過合理地調(diào)節(jié)饋線和諧振器之間的耦合，就可以控制五個(gè)通帶的外部品質(zhì)因數(shù)，得到需要的值。

為了提高五個(gè)通帶耦合調(diào)節(jié)自由度，諧振器之間的耦合區(qū)域根據(jù)信號(hào)傳輸路徑被分成了四個(gè)區(qū)域。通過調(diào)節(jié)諧振器之間的四個(gè)耦合間距可以改變通帶內(nèi)的耦合系數(shù)，得到合適的值。為了說明這一點(diǎn)，進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖4所示。五個(gè)通帶的耦合系數(shù)由1,2,3,4控制。為了保證通帶內(nèi)的良好性能，四個(gè)間距的變化范圍經(jīng)過了合理的選取。四個(gè)耦合間距的原始值設(shè)置為1=0.8 mm,2=0.7 mm,3=0.5 mm,4=0.3 mm，當(dāng)一個(gè)參數(shù)變化時(shí)，另外的參數(shù)保持不變。如圖4(a), 4(b), 4(c)和4(d)所示，第五通帶的帶寬主要由1控制，第四通帶的帶寬主要由4決定，與此同時(shí)，2對(duì)第一、三、五通帶都有影響，3對(duì)第二、三、四通帶都有影響，這說明提出的耦合方式能有效調(diào)節(jié)五個(gè)通帶的帶內(nèi)耦合，從而得到需要的帶寬。

圖4 仿真結(jié)果S21隨(a)s1,(b)s2,(c)s3,(d)s4,(e)s5的變化

由于源和負(fù)載耦合的引入以及多徑傳輸效應(yīng)的影響，可以得到十個(gè)傳輸零點(diǎn)，如圖4(e)所示。源和負(fù)載之間的耦合強(qiáng)度對(duì)傳輸零點(diǎn)的位置有顯著的影響，為了說明這種影響，在圖4(e)中繪制了插入損耗21與源-負(fù)載耦合強(qiáng)度關(guān)系的曲線圖。從圖中可以看出，隨著5的變小，即源-負(fù)載耦合強(qiáng)度增大，十個(gè)傳輸零點(diǎn)的位置分別向與之相鄰的通帶靠攏，使通帶選擇性增強(qiáng)。綜合考慮到通帶選擇性和通帶間隔離度，最終的耦合間距5被定為0.1 mm。

2 濾波器制作與測(cè)試

為了驗(yàn)證濾波器的可行性，進(jìn)行了濾波器的制作和測(cè)試。濾波器采用Rogers4003C作為基板，基板厚度0.508 mm，相對(duì)介電常數(shù)3.55，損耗角正切0.0027。經(jīng)過仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)的五通帶多模濾波器最終的尺寸（單位：mm）為：1=0.1，2=0.1，3=1，4=0.4，5=0.6，6=0.4，7=0.3，8=0.1，9=0.1，10=0.1，1=0.8，2=0.7，3=0.5，4=0.3，5=0.1，1=25.65，2=5.95，3=8.3，4=10.2，5=5.5，6=7.7，7=12.35，8=9.1，9=2.4，10=4.9，11=3.1，12=1.6，13=7.9，14=2.75，15=80.6，1=0.7，2=0.7，這里15是饋線的總長(zhǎng)度。濾波器的尺寸為28 mm×37.6 mm，或者0.248g×0.332g，這里g是1.6 GHz處的被導(dǎo)波波長(zhǎng)。本文濾波器由全波仿真軟件HFSS 13.0進(jìn)行仿真，并利用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C進(jìn)行測(cè)量，仿真和測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖以及濾波器的實(shí)物圖如圖5所示。

測(cè)得的五個(gè)中心頻率分別位于1.6，3，3.8，4.7，5.7 GHz，相對(duì)帶寬分別為12.5%，11.7%，5.48%，8.51%，4.37%；五個(gè)通帶的插入損耗分別為1.3，1.7，3.1，3.2，4.9 dB，所有通帶的回波損耗都優(yōu)于22 dB，可以明顯觀察到位于1.2，1.8，2.5，3.2，3.7，4，4.3，5.2，5.6和6 GHz的十個(gè)傳輸零點(diǎn)，仿真和實(shí)物測(cè)試之間的差別主要是由導(dǎo)體損耗和制作誤差造成。表1將本工作與之前的多通帶濾波器進(jìn)行了比較，表中CFs、TZs、RL和IL分別表示中心頻率、傳輸零點(diǎn)個(gè)數(shù)、回波損耗和插入損耗，從表中可以得出，本文提出的濾波器具有多傳輸零點(diǎn)和無過孔、制作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

(a) 仿真與測(cè)量結(jié)果 (b) 實(shí)物

表1 本工作與已有工作對(duì)比

Tab.1 Comparison with prior work

3 結(jié)論

提出了一款新型的無過孔的五通帶多模濾波器。該濾波器由兩個(gè)對(duì)稱放置的枝節(jié)加載濾波器構(gòu)成，通過合適的饋電結(jié)構(gòu)，可以激發(fā)多個(gè)諧振模式來形成所需要的通帶；該濾波器具有獨(dú)立可控的外部品質(zhì)因數(shù)以及可控的耦合系數(shù)，由于源-負(fù)載之間的耦合以及多徑傳輸效應(yīng)的影響，可以形成多對(duì)傳輸零點(diǎn)，使通帶選擇性得到加強(qiáng)；采用多模諧振器，相比于傳統(tǒng)單模設(shè)計(jì)方式，大大減小了濾波器體積。本文對(duì)提出的濾波器進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì)、仿真、制作和測(cè)試，結(jié)果證明了該濾波器的優(yōu)越性能。

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（編輯：陳渝生）

New quint-band multimode filter with multiple transmission zeros

PANG Doudou1, XIONG Yang1, HE Ming1, 2, JI Lu1, ZHANG Jinli1

(1. College of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China; 2. Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Sensor and Sensing Network Technology, Tianjin 300350, China)

In order to increase the number of channels and improve passbands selectivity of multi-mode filter, a new quint-band multimode filter based on stub-loaded resonators was presented. A new type of feeding and coupling structure was employed in this filter, which could individually control external quality factors and couplings of several passbands. The filter possessed the merits of no via holes and easy fabrication. Because of the introduction of source-load coupling and multi-path transmission effect, multiple transmission zeros could be generated, and the selectivity was raised. The filter was designed, fabricated and measured, and the experimental results fit the simulated results well. The center frequencies of the filter are located at 1.6, 3, 3.8, 4.7 and 5.7 GHz, with the relative bandwidths of 12.5%, 11.7%, 5.48%, 8.51% and 4.37%.

quint-band microwave filter; multimode filter; multiple transmission zeros; multipath transmission; stub loaded resonator; controllable external quality factors

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.10.012

TN304

A

1001-2028（2017）10-0067-06

2017-08-30

何明

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（No. 15JCQNJC01300）

何明（1975－），男，湖南衡陽人，教授，研究方向?yàn)槲⒉ㄉ漕l通信，超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件等，E-mail: heming@nankai.edu.cn ；龐豆豆（1993－），女，湖北天門人，研究生，研究方向?yàn)槲⒉ㄆ骷c超導(dǎo)電子學(xué)，E-mail: pangdd@mail.nankai.edu.cn 。

2017-09-27 10:59

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170927.1059.012.html