四分之一波長(zhǎng)多模諧振的內(nèi)嵌式三頻濾波器

楊 虹，肖 雄

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四分之一波長(zhǎng)多模諧振的內(nèi)嵌式三頻濾波器

楊 虹，肖 雄

（重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065）

利用四分之一波長(zhǎng)的多模諧振器（MMR），通過輸入輸出端共用短路過孔的方式，對(duì)高阻抗線進(jìn)行部分彎折，分別設(shè)計(jì)了中心頻率為2.4，3.5，5.2 GHz的單頻濾波器。發(fā)現(xiàn)三款微帶濾波器具有相同的高阻抗線和低阻抗線寬度，在此基礎(chǔ)上，采用內(nèi)嵌的方式設(shè)計(jì)了一款WLAN頻段（2.4，5.2 GHz）的雙頻濾波器和一款中心頻率為2.2，3.6，5.5 GHz的三頻段濾波器。三頻濾波器的尺寸為11 mm×9 mm，滿足小型化的要求。利用HFSS12軟件設(shè)計(jì)并仿真。結(jié)果表明，雙頻段和三頻段濾波器的11和21參數(shù)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，可適用于無(wú)線通信系統(tǒng)。

多模諧振器；內(nèi)嵌式；三頻段；濾波器；小型化；無(wú)線通信系統(tǒng)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，無(wú)線通信系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，頻譜資源緊張的問題也日益嚴(yán)重，單一頻段的通信系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足通信發(fā)展的需求，因此，多頻段濾波器的研究已成為射頻器件研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。同時(shí)，信息社會(huì)的發(fā)展，移動(dòng)終端的便攜化和微型化已成為未來(lái)的趨勢(shì)，小型化的研究也一直是濾波器中的一個(gè)熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)是如何在保障各項(xiàng)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化。常見的微帶濾波器小型化的方法有：采用彎折型諧振器、缺陷接地結(jié)構(gòu)、分形結(jié)構(gòu)和多模諧振器（Multi-Mode Resentor，MMR）。

而多模諧振器又因?yàn)椴迦霌p耗低、尺寸小、諧振模式多成為目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)。常用的多模諧振器的實(shí)現(xiàn)方法有閉環(huán)諧振微擾法[1]、貼片諧振開槽法[2]、枝節(jié)加載法[3]。在目前的濾波器小型化研究中，一般采用的是半波長(zhǎng)的SIR（Step Impedance Resonator，階躍阻抗諧振器）[4]，通過彎折、枝節(jié)加載或耦合其他諧振器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化和多頻段，筆者主要探討利用多對(duì)四分之一波長(zhǎng)SIR內(nèi)嵌來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器的多頻段和小型化。

1 濾波器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 1/4波長(zhǎng)MMR的設(shè)計(jì)

圖1為1/4波長(zhǎng)SIR結(jié)構(gòu)圖，其輸入阻抗in可以定義為：

1/4波長(zhǎng)SIR諧振器的諧振條件是in=0，則

（2）

可以得到：

式中：in、in分別是輸入端阻抗、導(dǎo)納；1、2為阻抗線的電長(zhǎng)度；z為阻抗比。由公式（2）~（3）可以得出SIR的階梯阻抗比。不難看出，SIR的三個(gè)自由度是電長(zhǎng)度1、2和阻抗比z。相比均勻諧振器（Uniform Impedance Resonator，UIR），SIR多了一個(gè)自由度z。四分之一波長(zhǎng)SIR的歸一化總電長(zhǎng)度為：

（4）

圖1 1/4波長(zhǎng)SIR結(jié)構(gòu)圖

在圖1的四分之一波長(zhǎng)SIR的基礎(chǔ)上，筆者利用一對(duì)1/4波長(zhǎng)SIR對(duì)稱耦合設(shè)計(jì)了一款中心頻率為2.4 GHz的單一頻段濾波器，結(jié)構(gòu)如圖2，輸入輸出端采用了共用短路過孔的方式，彎折了部分高阻抗線使濾波器尺寸更小，低阻抗線耦合形成信號(hào)傳輸路徑，同時(shí)在輸入和輸出端的饋線上采用階梯式的饋電結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以使濾波器在2.4 GHz的通帶外產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，提高通帶選擇性。

圖3、圖4是利用HFSS12對(duì)圖2的2.4 GHz濾波器進(jìn)行仿真所得的11、21參數(shù)圖，結(jié)果顯示，2.4 GHz濾波器回波損耗優(yōu)于25 dB，插入損耗為0.06 dB，相對(duì)帶寬330 MHz，證明設(shè)計(jì)的濾波器結(jié)構(gòu)性能良好。

圖3 2.4 GHz濾波器的S11參數(shù)

圖4 2.4 GHz濾波器的S21參數(shù)

1.2 內(nèi)嵌式雙頻濾波器設(shè)計(jì)

在圖2所示的濾波器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，調(diào)整濾波器結(jié)構(gòu)高阻抗線和低阻抗線部分的長(zhǎng)度，可以分別設(shè)計(jì)出中心頻率為3.5，5.2 GHz的單頻濾波器。三款濾波器的高阻抗線和低阻抗線具有相同的寬度，中心頻率的變化只與電長(zhǎng)度有關(guān)。本文以此為思路，采用內(nèi)嵌的方式，讓三個(gè)頻段的濾波器共用短路過孔和部分高阻抗線。首先設(shè)計(jì)了一款內(nèi)嵌雙頻段濾波器來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，雙頻濾波器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙頻濾波器結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的濾波器采用的介質(zhì)基板為Rogers RT/duroid5880，相對(duì)介電常數(shù)為2.2，基板厚度為0.65 mm。選定阻抗比z為0.4，電長(zhǎng)度1、2分別為52和17，利用ADS的微帶線計(jì)算工具計(jì)算出微帶線的長(zhǎng)寬。兩個(gè)微帶線共用短路過孔和部分高阻抗線，在兩個(gè)頻段的低阻抗線之間分別耦合形成另外兩條信號(hào)傳輸路徑2和路徑3，不同路徑的信號(hào)在輸出端進(jìn)行疊加，信號(hào)在某些頻率下如果出現(xiàn)幅度相同相位相反，則會(huì)產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，控制零點(diǎn)出現(xiàn)的頻率在通帶外，可以提高濾波器的選擇性[5-6]。

利用HFSS12對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6和圖7所示，從結(jié)果圖可以看出，該濾波器工作的中心頻率是2.4，5.2 GHz，在2.4 GHz頻段的帶寬為300 MHz，2.4 GHz的插入損耗小于0.5 dB，回波損耗較低（小于18 dB），矩形系數(shù)良好，滿足濾波要求；在5.2 GHz頻段的帶寬為360 MHz，中心頻率5.2 GHz的插入損耗（小于0.5 dB），回波損耗（小于18 dB）和矩形系數(shù)均滿足濾波要求。筆者設(shè)計(jì)的雙頻濾波器能夠工作在WLAN頻段并滿足基本的濾波要求（回波損耗小于10 dB，插入損耗小于3 dB）。

圖6 雙頻段濾波器仿真S11結(jié)果

圖7 雙頻段濾波器仿真S21結(jié)果

2 內(nèi)嵌式三頻濾波器設(shè)計(jì)

在上文提出的雙頻濾波器的基礎(chǔ)上，將第三個(gè)頻段的濾波器內(nèi)嵌到上文設(shè)計(jì)的雙頻濾波器上面，設(shè)計(jì)了一款三頻濾波器，結(jié)構(gòu)如圖8所示，在5.2 GHz四分之一波長(zhǎng)SIR和2.4 GHz四分之一SIR波長(zhǎng)之間內(nèi)嵌上3.5 GHz頻段的四分之一波長(zhǎng)SIR，同樣采用輸入輸出端共用短路過孔和部分高阻抗線的方式，對(duì)濾波器的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后設(shè)計(jì)出了一款尺寸為11 mm×9 mm的滿足LTE/WiMAX/ WLAN頻段要求的三頻濾波器。仿真結(jié)果的11和21參數(shù)分別如圖9和圖10所示。不難看出，本文設(shè)計(jì)的三頻濾波器的中心頻率為2.2，3.6，5.5 GHz，相對(duì)帶寬分別為390，110，290 MHz。2.2，3.6，5.5 GHz頻段的插入損耗情況良好，基本滿足要求(小于2 dB)；2.2 GHz頻段的回波損耗小于20 dB，3.6，5.5 GHz頻段的回波損耗有所增加，略小于15 dB，這是由于內(nèi)嵌三個(gè)頻段的微帶線時(shí)，相當(dāng)于三個(gè)微帶線并聯(lián)，會(huì)造成回波損耗的上升，但本文設(shè)計(jì)的濾波器回波損耗的結(jié)果依舊滿足無(wú)線通信的基本要求（小于10 dB）[7-8]。

圖9 三頻段濾波器仿真S11結(jié)果

圖10 三頻段濾波器仿真S21結(jié)果

3 結(jié)論

利用四分之一波長(zhǎng)的SIR，在輸入輸出端共用短路過孔、低阻抗線之間耦合形成信號(hào)傳輸路徑的方法，采用內(nèi)嵌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款滿足WLAN（2.4, 5.2 GHz）通信頻段要求的雙頻濾波器。利用仿真軟件HFSS12進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。然后，在設(shè)計(jì)的雙頻濾波器的基礎(chǔ)上，繼續(xù)采用內(nèi)嵌的方式，在5.2 GHz和2.4 GHz的SIR之間內(nèi)嵌上3.5 GHz頻段的微帶線，利用HFSS12對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了一款中心頻率在2.2，3.6，5.5 GHz的三頻濾波器，濾波頻段滿足無(wú)線通信系統(tǒng)中的LTE/WiMAX/WLAN頻段。

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（編輯：陳渝生）

Design of a tri-band filter with embedded structure based on 1/4 wavelength MMR

YANG Hong, XIAO Xiong

(College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

Using multi-mode resonator with 1/4 wavelength, through sharing short-circuit through hole of both input and output terminal together with bending high impedance line partly, single frequency filters with the center frequency of 2.4, 3.5, 5.2 GHz respectively were designed. It was found that these three filters have the same width in high impedance and low impedance line. Based on above results, using embedded method, a dual-band filter in WLAN band (2.4, 5.2 GHz) and a tri-band filter with three center frequencies of 2.2, 3.6, 5.5 GHz were further designed. To meet the requirement of miniaturization, the size of the tri-band filter is designed of 11 mm×9 mm. The simulation results with HFSS12 software show that the parameters of11and21both reach the standard concerned and the filters can be used in wireless communication system.

multi-mode resonator; embedded; tri-band; filter; miniaturization; wireless communication system

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.016

TN713

A

1001-2028（2017）05-0077-04

2017-02-04

楊虹

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 61102075）；模擬集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（No. 61428020115162802003）；重慶市重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)項(xiàng)目（No. cstc2016zdcy-ztzx0038）

楊虹（1966－），男，四川蓬溪人，教授，研究方向?yàn)槲㈦娮硬牧吓c元器件等，E-mail: yanghong@cqupt.edu.cn ；肖雄（1992－），男，湖北天門人，研究生，研究方向?yàn)楣怆娂膳c射頻集成電路等，E-mail: 2431541350@qq.com。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-05-11 13:28

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1328.016.html