枝節(jié)加載的雙模微帶濾波器設(shè)計(jì)

任鵬婷，楊 華，閆 靜，董紅松

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枝節(jié)加載的雙模微帶濾波器設(shè)計(jì)

任鵬婷，楊 華，閆 靜，董紅松

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 晉中 030801）

為了實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化和高性能，研究了中心枝節(jié)加載的E型雙模諧振器的諧振模式與傳輸零點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)控制奇偶模的頻率關(guān)系來(lái)設(shè)置傳輸零點(diǎn)的位置。基于此分析設(shè)計(jì)了幾款不同的帶通濾波器來(lái)驗(yàn)證該結(jié)論，通過(guò)引入合適位置處的傳輸零點(diǎn)設(shè)計(jì)制作了結(jié)構(gòu)緊湊、頻率選擇性好、帶外抑制能力強(qiáng)的雙工器和雙模雙通帶濾波器。結(jié)果表明通帶外的零點(diǎn)測(cè)量位置和仿真結(jié)果基本吻合，該方法能夠應(yīng)用到微波電路的設(shè)計(jì)中。

雙模諧振器；雙通帶濾波器；傳輸零點(diǎn)；雙工器；小型化；枝節(jié)加載

濾波器作為移動(dòng)通信系統(tǒng)中不可缺少的設(shè)備之一，其設(shè)計(jì)要求也朝著性能優(yōu)越和小體積的方向不斷發(fā)展。同時(shí)單一通道的通信系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足目前的應(yīng)用需求，因而，人們開(kāi)始研究多個(gè)通帶的濾波器[1-6]。且為了提供多頻帶和多服務(wù)，用于合并和劃分信道的多工器的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[7-10]。目前，大部分學(xué)者研究的重點(diǎn)是如何在滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的同時(shí)使濾波器的體積更小。

微帶濾波器實(shí)現(xiàn)小型化和多頻段常用到如下方法：采用折疊型結(jié)構(gòu)、缺陷接地結(jié)構(gòu)、分形結(jié)構(gòu)和多模諧振單元。其中雙模和多模諧振器由于其結(jié)構(gòu)特殊，可以激發(fā)多個(gè)諧振模式，由其構(gòu)造的濾波器在達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的同時(shí)可以有效減少所采用的諧振器個(gè)數(shù)，而且其插入損耗和尺寸比較小，是目前應(yīng)用相對(duì)廣泛的結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的多模諧振結(jié)構(gòu)有閉環(huán)微擾法、開(kāi)槽法、加載枝節(jié)、彎曲折疊等方式。1972年Wolf[11]首先提出一款圓環(huán)結(jié)構(gòu)的雙模濾波器，在閉環(huán)結(jié)構(gòu)中加入一部分微擾，使得諧振單元中的簡(jiǎn)并模式分成兩個(gè)諧振頻率，即出現(xiàn)了雙模形式。2005年，Zhu等[12]構(gòu)造了一種階梯阻抗諧振單元（SIR）形式的多模結(jié)構(gòu)，同時(shí)將其用來(lái)制作超寬帶形式的濾波器。2007年，Hong等[13]設(shè)計(jì)了在中間位置加入一段開(kāi)路線的諧振單元，利用開(kāi)路線的尺寸變化來(lái)控制偶模頻率。之后，Li等[14]通過(guò)在開(kāi)環(huán)微帶線中心加入三段枝節(jié)線得到了一款四模諧振器結(jié)構(gòu)，并利用該諧振單元構(gòu)造了一個(gè)超寬帶四模濾波器。逐漸地，學(xué)者們開(kāi)始研究不同形式的多模諧振結(jié)構(gòu)并用來(lái)構(gòu)造多種濾波器[15-17]。

到目前為止，關(guān)于雙模諧振單元的研究仍未形成完善的分析和設(shè)計(jì)理論，本文基于中心枝節(jié)加載的雙模諧振器，從諧振的角度分析了此種諧振器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生固定傳輸零點(diǎn)的原因，發(fā)現(xiàn)通過(guò)控制奇偶模頻率可靈活地設(shè)置傳輸零點(diǎn)的位置，基于此，設(shè)計(jì)了幾款濾波器驗(yàn)證了所得的結(jié)論。同時(shí)提出了結(jié)構(gòu)緊湊的雙工器和雙通帶濾波器，由于設(shè)計(jì)過(guò)程中做了較為明確的模式分析工作，使得各通帶的調(diào)諧相對(duì)容易控制，且通過(guò)引入不同位置處的傳輸零點(diǎn)來(lái)改善帶通濾波器的頻選特性。

1 雙模諧振器分析

1.1 奇偶模頻率分析

開(kāi)路枝節(jié)加載的雙模諧振結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1（a），其中1、2分別是開(kāi)環(huán)微帶線和中心枝節(jié)線的長(zhǎng)度，1、2分別是兩段微帶線對(duì)應(yīng)的特性導(dǎo)納，由于此結(jié)構(gòu)對(duì)稱，采用奇偶模方法進(jìn)行分析[18]。在奇模分析時(shí)，對(duì)稱的虛線平面可以等效成理想電壁，對(duì)地表現(xiàn)成短路，在偶模分析時(shí)，虛線平面能夠看成是理想磁壁，對(duì)地表現(xiàn)成開(kāi)路，奇偶模等效電路分別見(jiàn)圖1(b)、(c)。

如圖1（b）中電路所示，接地微帶線的輸入導(dǎo)納in,o滿足：

式中：1=1是/2微帶線的電長(zhǎng)度；分別是電磁波的波長(zhǎng)和傳播常數(shù)。

如圖1（c）中電路所示，開(kāi)路微帶線的輸入導(dǎo)納in,e滿足：

式中：2=2是加載枝節(jié)線的電長(zhǎng)度，通過(guò)諧振條件能夠得出奇模諧振頻率如下：

（3）

圖1 雙模諧振器結(jié)構(gòu)及奇偶模等效電路

式中：=1, 2, 3…；是真空中的光速；e是所用介質(zhì)的有效介電常數(shù)。奇模諧振頻率只受開(kāi)環(huán)微帶線長(zhǎng)度1影響，和中心枝節(jié)線的尺寸沒(méi)有關(guān)系。

同理，可知偶模諧振頻率為：

式中：設(shè)1=22，可得偶模頻率大小和加載枝節(jié)線與半波長(zhǎng)微帶線的尺寸有關(guān)。

圖2為當(dāng)加載線2尺寸改變時(shí)，該雙模諧振器諧振頻率的變化曲線。當(dāng)枝節(jié)線長(zhǎng)度為2=8.1mm時(shí)，奇偶模的頻率相等且兩者沒(méi)有分開(kāi)，如圖中藍(lán)色曲線所示。當(dāng)2長(zhǎng)度變化時(shí)，諧振器的奇模頻率始終不變，而偶模頻率隨加載線長(zhǎng)度變化而變化，加載線變長(zhǎng)，該頻率變小，反之增大。所以中心枝節(jié)線的尺寸只影響偶模頻率而不影響奇模頻率，可以通過(guò)調(diào)節(jié)枝節(jié)線的尺寸來(lái)控制奇偶模的頻率。

1.2 傳輸零點(diǎn)分析

觀察發(fā)現(xiàn)，此雙模諧振器結(jié)構(gòu)自身能夠產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，且零點(diǎn)位置與奇偶模頻率大小有關(guān)，若偶模小于奇模頻率，零點(diǎn)頻率位于通帶左側(cè)，反之，位于頻帶右邊，其產(chǎn)生原理及位置分析如下。

圖2 雙模諧振器諧振頻率與枝節(jié)長(zhǎng)度關(guān)系

該雙模結(jié)構(gòu)得到的傳輸零點(diǎn)是由于中心枝節(jié)線發(fā)生了諧振。半波長(zhǎng)微帶線中間位置加入一段枝節(jié)線能夠等效為在其上串聯(lián)了一個(gè)LC諧振電路，若該LC電路不發(fā)生諧振時(shí)，它能夠看成是一容性或感性元件，而若LC電路諧振時(shí)，它的等效阻抗為0，此時(shí)對(duì)稱位置處的電壓為0，可看成是短路。當(dāng)某個(gè)頻率的信號(hào)從源端進(jìn)入后，若此時(shí)枝節(jié)線發(fā)生諧振，則該頻率分量的信號(hào)就會(huì)被短路而不能到達(dá)輸出端，那么響應(yīng)就在此點(diǎn)出現(xiàn)一傳輸零點(diǎn)，枝節(jié)線發(fā)生諧振的頻率即為此零點(diǎn)的頻率。

傳輸零點(diǎn)的頻率受加載枝節(jié)線的影響，表現(xiàn)為和奇偶模模式頻率的大小有關(guān)。在半波長(zhǎng)微帶線中心位置向加載枝節(jié)線看去，其等效的輸入阻抗如下：

若枝節(jié)線發(fā)生諧振，諧振器中心位置處電壓為零，等效為短路，則有in=0，可得傳輸零點(diǎn)頻率z為：

（6）

當(dāng)=1時(shí)，奇偶模頻率分別為：

（8）

若偶模低于奇模頻率，有：

則ze>o時(shí)，零點(diǎn)位于通帶右方，因此能夠通過(guò)改變奇偶模頻率的大小關(guān)系來(lái)設(shè)置傳輸零點(diǎn)的位置從而來(lái)構(gòu)造高選擇性的濾波器，進(jìn)而來(lái)改善濾波器邊帶的隔離度。

2 濾波器設(shè)計(jì)

基于上述分析，現(xiàn)設(shè)計(jì)幾款濾波器來(lái)驗(yàn)證所得結(jié)論，即通過(guò)控制諧振器偶模和奇模頻率之間的關(guān)系來(lái)引入不同數(shù)目和不同位置處的傳輸零點(diǎn)。本文的設(shè)計(jì)采用的介質(zhì)材料為Rogers，相對(duì)介電常數(shù)是6.15，基板厚度是 0.787 mm，損耗角正切值是0.002，所有結(jié)構(gòu)圖中長(zhǎng)度的單位是mm，采用Sonnet和HFSS軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化，測(cè)試結(jié)果由Agilent E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得。

2.1 兩階濾波器

中心頻率0=1.98 GHz，帶寬為30 MHz，回波損耗在–25 dB以下，調(diào)節(jié)枝節(jié)線尺寸使其偶模大于奇模頻率，在通帶右側(cè)=2 084 MHz處引入一個(gè)傳輸零點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)及響應(yīng)如圖3所示，圖中紅、藍(lán)色曲線分別為濾波器的反射、傳輸響應(yīng)。

圖3 兩階雙模濾波器結(jié)構(gòu)及響應(yīng)

2.2 四階濾波器

為了進(jìn)一步驗(yàn)證傳輸零點(diǎn)的位置及數(shù)目，用兩個(gè)上述諧振器構(gòu)造若干4階雙模帶通濾波器，模式之間的耦合結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 四階雙模濾波器的耦合結(jié)構(gòu)

用兩個(gè)尺寸相同的諧振單元，調(diào)節(jié)枝節(jié)線長(zhǎng)度使其偶模大于奇模頻率，在頻帶右側(cè)出現(xiàn)一個(gè)傳輸零點(diǎn)，通過(guò)矩陣綜合獲得優(yōu)化后的耦合矩陣1如式（10）所示。

濾波器的0=2.206 GHz，帶寬為72 MHz，回波損耗在–20 dB以下，右側(cè)的傳輸零點(diǎn)在2.288 GHz處，其結(jié)構(gòu)及響應(yīng)結(jié)果比較見(jiàn)圖5。

同理，可以用兩個(gè)尺寸相同的諧振單元構(gòu)造一個(gè)傳輸零點(diǎn)在左側(cè)的四階帶通濾波器。

用兩個(gè)尺寸不相同的諧振單元，調(diào)節(jié)其中一個(gè)使其偶模小于奇模頻率來(lái)產(chǎn)生通帶左側(cè)的傳輸零點(diǎn)，再調(diào)節(jié)另一諧振器使其偶模大于奇模頻率以引入通帶右側(cè)的零點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)及響應(yīng)如圖6所示。濾波器的0=2.13 GHz，帶寬為60 MHz，回波損耗在–20 dB以下，零點(diǎn)分別位于2075 MHz和2205 MHz。

2.3 雙模雙工器

設(shè)計(jì)多工器常采用的方式是利用一個(gè)半波長(zhǎng)開(kāi)環(huán)諧振器作為公共端將多個(gè)濾波器連接起來(lái)，其耦合結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 雙模雙工器耦合結(jié)構(gòu)

為了增大雙工器兩個(gè)頻帶間的隔離程度，調(diào)節(jié)低頻端的通道使其傳輸零點(diǎn)位于頻帶右側(cè)，調(diào)節(jié)高頻端的通道使其零點(diǎn)位于頻帶左側(cè)，使得其通道間有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)。通常每一通道的第一階調(diào)諧較多，以此來(lái)匹配濾波器的輸入一側(cè)，即利用半波長(zhǎng)諧振器來(lái)大致固定每一路的相對(duì)位置。雙工器的指標(biāo)要求見(jiàn)表1。

表1 雙模雙工器設(shè)計(jì)指標(biāo)

Tab.1 The design index of the dual-mode duplexer

如圖8所示，仿真公共端與每一路第一階的開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，使整體的單端口群時(shí)延和每個(gè)諧振單元的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的群時(shí)延相對(duì)應(yīng)。

（a）雙模雙工器公共端結(jié)構(gòu) （b）S11的群時(shí)延響應(yīng)

雙工器的結(jié)構(gòu)及響應(yīng)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖9，兩個(gè)通道的隔離度小于–40 dB，傳輸零點(diǎn)與表1中的指標(biāo)大致相符，測(cè)試和仿真結(jié)果基本一致。

表2給出了本設(shè)計(jì)與參考文獻(xiàn)的結(jié)果比較，可知該雙模雙工器具有尺寸小、通帶間隔離度高、頻率選擇性好等優(yōu)點(diǎn)。

表2 實(shí)測(cè)結(jié)果和參考文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比

Tab.2 The measured results compared with the results of the references

2.4 雙模雙通帶濾波器

采用成對(duì)設(shè)計(jì)法把兩個(gè)不同波段的濾波器用公共端結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)雙通帶，每一通道的濾波器均能夠分開(kāi)單獨(dú)設(shè)計(jì)，且通帶帶寬調(diào)節(jié)方便，其結(jié)構(gòu)及響應(yīng)如圖10所示。其中諧振單元進(jìn)行折疊以滿足特定的耦合同時(shí)縮小整個(gè)器件的尺寸。上方的E型加載諧振器構(gòu)成第一個(gè)頻帶，下方的T型加載結(jié)構(gòu)構(gòu)成第二個(gè)頻帶，并且它們之間沒(méi)有耦合存在。

左側(cè)低頻端通帶的0= 2.51 GHz，右側(cè)高頻端通帶的0= 2.9 GHz，三個(gè)傳輸零點(diǎn)在2450，2810，3476 MHz處。調(diào)節(jié)上方的E型諧振單元1使其奇模大于偶模頻率，產(chǎn)生一頻帶左側(cè)的傳輸零點(diǎn)，再調(diào)節(jié)該模塊和端口的距離構(gòu)成低頻端的第一個(gè)頻帶。之后，調(diào)節(jié)下方的T型諧振單元2使得偶模高于奇模頻率，得到第二個(gè)頻帶右側(cè)的傳輸零點(diǎn)。兩個(gè)通帶之間的傳輸零點(diǎn)是由輸入輸出端之間的附加耦合引入的，加入的零點(diǎn)能夠增強(qiáng)整個(gè)濾波器的選頻特性和帶外抑制能力，使響應(yīng)邊沿陡峭。

分析可知圖中兩個(gè)諧振單元之間沒(méi)有耦合。先把輸入輸出端和上方的諧振器1留下，下方的諧振器2去掉，仿真結(jié)果如圖10（b）中紫色曲線所示，響應(yīng)是低頻端的第一個(gè)通帶響應(yīng)；同樣，留下輸入輸出端和諧振器2，去掉諧振器1，響應(yīng)是高頻處的第二個(gè)通帶響應(yīng)，如圖10（b）中紅色曲線所示；最后仿真整個(gè)結(jié)構(gòu)，其傳輸響應(yīng)為圖10（b）中藍(lán)色線所示，黑色線是反射系數(shù)11的響應(yīng)，其中第一個(gè)頻帶的回波損耗低于–25 dB，第二個(gè)頻帶的回波損耗低于–20 dB。

圖10 雙模雙通帶濾波器的結(jié)構(gòu)和響應(yīng)

圖10中三條傳輸響應(yīng)曲線的通帶范圍基本一致，說(shuō)明兩個(gè)諧振單元之間沒(méi)有耦合存在。每個(gè)諧振器控制各自的通帶，只需要調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的諧振器就可以改變各個(gè)通帶的傳輸特性。

表3給出了本設(shè)計(jì)與參考文獻(xiàn)的結(jié)果比較，可知該濾波器具有尺寸較小、頻選特性較好等優(yōu)點(diǎn)。

表3 仿真結(jié)果和文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比

Tab.3 The simulation results compared with the results of the references

3 結(jié)論

本文從諧振的角度分析說(shuō)明了中心枝節(jié)加載結(jié)構(gòu)的雙模諧振器產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的原理，從而能夠通過(guò)控制諧振單元偶模和奇模頻率之間的大小關(guān)系來(lái)引入不同數(shù)目與不同位置的傳輸零點(diǎn)?；诖嗽O(shè)計(jì)了幾款帶通濾波器來(lái)驗(yàn)證得到的結(jié)論，并設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)緊湊、頻率選擇性好的多工器和雙通帶濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能和小型化的要求，在微波電路的設(shè)計(jì)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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（編輯：陳渝生）

Design of microstrip dual-mode filter based on stub-load

REN Pengting, YANG Hua, YAN Jing, DONG Hongsong

(College of Information Science and Engineering, Shanxi Agricultural University, Jinzhong 030801, Shanxi Province, China)

To realize compact and high performance filters, the induced mechanism of the resonant mode and transmission zeros of centrally stub-loaded E-shape dual-mode resonators was analyzed. It was found that the location of the transmission zeros could be set by controlling the relationship of odd-even mode resonant frequencies. On account of the above, several different band-pass filters were designed to verify the conclusion. Novel compact structure, good frequency selectivity and out-of-band rejection diplexers and double bandpass filters were presented by introducing transmission zeros to proper locations. The measured positions of the transmission zeros out of band agree well with the simulation result. The method can be used in microwave circuits design.

dual-mode resonator; double bandpass filter; transmission zero; diplexer; miniaturization; stub-load

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.10.013

TN713

A

1001-2028（2017）10-0073-07

2017-09-05

任鵬婷

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（No. 31671571）

任鵬婷（1989－），女，山西朔州人，助教，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄆ骷?，E-mail: renpengting12@163.com。

2017-09-27 10:59

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170927.1059.013.html