基于金屬化通孔耦合的帶寬增強(qiáng)梳狀濾波器

蔡 璟，秦 偉，陳建新

(南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019)

基于金屬化通孔耦合的帶寬增強(qiáng)梳狀濾波器

蔡 璟，秦 偉，陳建新

(南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019)

提出一種具有帶寬增強(qiáng)特性的新型梳狀濾波器。該設(shè)計(jì)的新穎性在于提出了在梳狀結(jié)構(gòu)中加入孔耦合結(jié)構(gòu)。在相同的耦合縫隙下，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的耦合系數(shù)大小相比傳統(tǒng)梳狀耦合成倍增大，從而達(dá)到拓寬帶寬的效果。此外，研究發(fā)現(xiàn)孔耦合結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)縫隙耦合結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的加工容忍度。為了驗(yàn)證所提出的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)、制造并測(cè)試了一款具有帶寬增強(qiáng)效果的梳狀濾波器，測(cè)試結(jié)果與仿真吻合。測(cè)試結(jié)果表明，在相同尺寸的耦合縫隙的情況下，相對(duì)帶寬由傳統(tǒng)梳狀濾波器的5%提高到了17%。

孔耦合；梳狀濾波器；帶寬增強(qiáng)

0 引 言

濾波器，尤其是帶通濾波器(bandpass filter，BPF)，是無線通信系統(tǒng)中必不可少的選頻元件。由于微帶線(microstrip line， MSL)具有體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，微帶濾波器在濾波器設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中受到了非常廣泛的關(guān)注[1]，同時(shí)，耦合微帶線被普遍應(yīng)用于微帶濾波器的設(shè)計(jì)中。其中，耦合梳狀線結(jié)構(gòu)在上個(gè)世紀(jì)就被研發(fā)[2]，并且，直到最近的濾波器研究中，依然得到了許多學(xué)者的關(guān)注。這是由于梳狀濾波器(combline filter)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)高階的設(shè)計(jì)。為了適應(yīng)現(xiàn)代無線通信對(duì)于濾波器越來越高的要求，梳狀線被應(yīng)用于許多可調(diào)濾波器設(shè)計(jì)中，用于增強(qiáng)濾波器的選頻范圍。其中，大多數(shù)研究著眼于在耦合梳狀線之間添加變?nèi)荻O管，從而實(shí)現(xiàn)耦合系數(shù)的可調(diào)，達(dá)到調(diào)節(jié)、增大帶寬的效果[3-5]。但是，對(duì)于高階設(shè)計(jì)而言，由于需要保持平衡性，在每2個(gè)梳狀線之間都需要加載2個(gè)變?nèi)荻O管。由于變?nèi)荻O管寄生效應(yīng)的影響，這種方法往往會(huì)增大濾波器的插入損耗，從而影響濾波器的應(yīng)用性能。

最近，一種名為金屬化通孔耦合，簡(jiǎn)稱孔耦合(via coupling)，作為一種新型的耦合結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于濾波器設(shè)計(jì)中[6-7]。文獻(xiàn)[6]在大尺寸微帶線上進(jìn)行了孔耦合性質(zhì)的研究，并設(shè)計(jì)了一款基于孔耦合的帶通濾波器。但是，該研究并沒有繼續(xù)深入，在原有的基礎(chǔ)上擴(kuò)大孔耦合的應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)[7]應(yīng)用孔耦合作為交叉耦合，設(shè)計(jì)了一款具有高選擇性的互補(bǔ)緊湊型微帶諧振單元。但是，其并未對(duì)孔耦合進(jìn)行詳細(xì)的分析以及對(duì)比研究。

本文研究了孔耦合與縫隙耦合的區(qū)別，證明了孔耦合的優(yōu)勢(shì)所在。同時(shí)，本文應(yīng)用孔耦合特性，結(jié)合梳狀線結(jié)構(gòu)，研制了一款具有帶寬增強(qiáng)特性的梳狀濾波器。這款濾波器將孔耦合應(yīng)用于梳狀濾波器中，能夠突破加工精度的限制，顯著增大其耦合系數(shù)，從而使梳狀濾波器在不影響其插入損耗的情況下，達(dá)到拓寬帶寬的效果，使其在寬帶無線通信中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 孔耦合技術(shù)

隨著印刷電路板(printed circuit board, PCB)工藝的不斷發(fā)展和進(jìn)步，通孔的位置和直徑在加工過程中都可以很精確地得到。并且，通過化學(xué)電鍍技術(shù)以及銀導(dǎo)電漿烘干技術(shù)可以既便捷又精確地實(shí)現(xiàn)通孔的金屬化。金屬化通孔通常被當(dāng)作一個(gè)短路引線，應(yīng)用于多層電路板中不同層面的連接，例如，傳輸線的接地或者布線的需要。另外，在共面集成波導(dǎo)(substrate integrated waveguide， SIW)電路中，金屬化通孔被用作為金屬墻壁，形成電壁，從而實(shí)現(xiàn)SIW腔體結(jié)構(gòu)[8]。本文中使用金屬化通孔作為一種耦合結(jié)構(gòu)，可用于實(shí)現(xiàn)微帶諧振器之間的耦合，并且將孔耦合與傳統(tǒng)縫隙耦合進(jìn)行對(duì)比，證明了孔耦合的優(yōu)勢(shì)。

諧振器耦合結(jié)構(gòu)如圖1所示。最簡(jiǎn)單的縫隙耦合是2個(gè)終端開路的諧振器之間的縫隙耦合。其中，R1/R2為諧振器模型；w為諧振器寬度；g為縫隙寬度。類似地，由圖1b可見，孔耦合可以通過2個(gè)終端短路的諧振器共享同一個(gè)金屬通孔來實(shí)現(xiàn)，其中，d為金屬化通孔的直徑。在耦合諧振理論中，耦合系數(shù)(coupling coefficient)是對(duì)諧振器間耦合量的唯一定量描述。

圖1 諧振器耦合結(jié)構(gòu)圖解Fig.1 Diagram of the resonator coupling

根據(jù)耦合諧振理論[9]，2個(gè)相同諧振器之間的耦合系數(shù)可以被提取。

(1)

(1)式中：M為孔耦合與縫隙耦合的耦合系數(shù)；fp1和fp2分別為當(dāng)2個(gè)諧振器耦合時(shí)仿真出的諧振頻率。由(1)式可以得到，M與歸一化寬度w/h和標(biāo)準(zhǔn)化寬度d/h的關(guān)系如圖2所示，其中，h為介質(zhì)基板厚度。

根據(jù)比較，可以得到以下結(jié)論。

1)加工容忍度大。當(dāng)w/h固定時(shí)，孔耦合隨著d/h的增加而適當(dāng)?shù)仄交瑴p少。但是，縫隙耦合在強(qiáng)耦合區(qū)域急速下降(尤其是當(dāng)g/h低于0.3時(shí))，但是在弱耦合區(qū)域下降緩慢。這意味著在強(qiáng)耦合區(qū)域，孔耦合的加工容忍度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縫隙耦合。這種情況與在弱耦合區(qū)域正好相反。

2)設(shè)計(jì)靈活度高。當(dāng)d/h和g/h固定時(shí)，孔耦合隨著w/h的增加而顯著地線性增加。但是，當(dāng)w/h改變時(shí)縫隙耦合變化非常小。所以，孔耦合能夠利用微帶線的寬度來控制。

2 帶寬增強(qiáng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

從耦合的性質(zhì)上可以得到，終端耦合的孔耦合是磁耦合，而邊緣耦合的縫隙耦合可能是電耦合也可能是磁耦合，這取決于諧振器的耦合方式。所以，若邊緣耦合的縫隙耦合為磁耦合，就能夠結(jié)合孔耦合來增強(qiáng)整體的耦合，從而達(dá)到帶寬增強(qiáng)的效果。所以，為了能更好地說明，本文以邊緣耦合λ/4諧振器為例，構(gòu)建的耦合結(jié)構(gòu)如圖3中插圖所示。該結(jié)構(gòu)是由2個(gè)四分一波長(zhǎng)(λ/4)諧振器構(gòu)成，并且同時(shí)具有孔耦合和邊緣耦合。其中，w′和l′為該諧振器寬度以及長(zhǎng)度，并且固定，耦合系數(shù)的調(diào)整是根據(jù)耦合縫隙寬度g′和孔耦合直徑d′的變化。λ/4諧振器之間的邊緣耦合以磁耦合占主導(dǎo)。因此，在短路端加入同為磁耦合的孔耦合結(jié)構(gòu)后，其耦合系數(shù)會(huì)被提高。圖3給出了帶寬增強(qiáng)諧振器的耦合系數(shù)與g′/h和d′/h之間的關(guān)系。虛線代表沒有孔耦合的傳統(tǒng)邊緣耦合λ/4諧振器，帶有符號(hào)的實(shí)線則代表了在不同通孔直徑下，即具有孔耦合增強(qiáng)的耦合系數(shù)。由圖3可知，帶寬增強(qiáng)結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)擁有較大的耦合系數(shù)，能夠有效地增大帶寬。

圖2 孔耦合和縫隙耦合的耦合系數(shù)M與歸一化寬度w/h和標(biāo)準(zhǔn)化寬度d/h的關(guān)系Fig.2 Coupling coefficients M versus normalized widths w/h and normalized diameters d/h for via-coupling and gap-coupling

3 帶寬增強(qiáng)梳狀濾波器設(shè)計(jì)

基于上述帶寬增強(qiáng)理論，本文旨在設(shè)計(jì)一款具有Chebyshev響應(yīng)的帶寬增強(qiáng)效果的梳狀濾波器，其階數(shù)為三階，紋波為0.04 dB，中心頻率為2.4 GHz，目標(biāo)相對(duì)帶寬(fractional bandwidth, FBW)為17%?；谏鲜鰲l件，設(shè)計(jì)并加工了一款具有帶寬增強(qiáng)性質(zhì)的梳狀線濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖4a所示；為了通過比較證明其帶寬增強(qiáng)的效果，同時(shí)設(shè)計(jì)并加工了一款傳統(tǒng)邊緣耦合梳狀濾波器，如圖4b所示。

圖3 提取的帶寬增強(qiáng)諧振器的耦合系數(shù)插圖為該諧振器仿真結(jié)構(gòu))Fig.3 Extracted coupling coefficients of the bandwidth-enhanced edge-coupled quarter-wavelength resonators (The inset configuration is the simulated structure of the resonator)

圖4 本文設(shè)計(jì)的濾波器以及傳統(tǒng)濾波器梳狀濾波器的結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Layout of the proposed combline filter using via-couplings to enhance the edge-coupling, and the traditional combline filter

帶寬增強(qiáng)濾波器的設(shè)計(jì)思路：對(duì)于梳狀線濾波器，其設(shè)計(jì)方法在前人的研究基礎(chǔ)上已經(jīng)得到完善[2-5]，這里就不再贅述。本設(shè)計(jì)取微帶線寬度W1=2 mm；微帶線長(zhǎng)度l1根據(jù)實(shí)際仿真調(diào)整為22.3 mm，使得中心頻率f0=2.4 GHz；隨著耦合縫隙g1的減小，耦合增大，對(duì)應(yīng)的濾波器帶寬變寬。理想情況下，g1應(yīng)該越小越好，但是在實(shí)際加工當(dāng)中，耦合縫隙太小會(huì)使得加工誤差很大，所以，取縫隙寬度g1=0.3 mm。隨后，在短路端加入孔耦合結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)通孔直徑d1=0.4 mm，能夠使其帶寬達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。為了便于比較，本文依據(jù)相同的尺寸，研制了一款傳統(tǒng)梳狀濾波器。2種設(shè)計(jì)應(yīng)用了不同的饋電方式：帶寬增強(qiáng)濾波器使用了直接饋電的方式，而傳統(tǒng)梳狀濾波器使用了耦合饋電的方式。這是由于帶寬增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耦合系數(shù)較大，則需要較小的外部品質(zhì)因數(shù)(external quality factor，Qe)，從而使通帶性能保持較好的水平；相反，對(duì)于傳統(tǒng)梳狀濾波器，則需要較大的Qe。

本設(shè)計(jì)中使用的介質(zhì)基板為Duroid 5 870，其厚度為0.79 mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.33，損耗角為0.001 2。仿真使用了Ansoft HFSS電磁仿真軟件，測(cè)試是基于Agilent E8363C網(wǎng)絡(luò)分析儀。其仿真與測(cè)試結(jié)果如圖5所示。仿真與測(cè)試結(jié)果吻合。由于加工誤差以及SMA轉(zhuǎn)接頭損耗的影響，使得測(cè)試與仿真結(jié)果有一定的誤差。傳統(tǒng)梳狀線濾波器具有5%的FBW，而帶寬增強(qiáng)設(shè)計(jì)則具有17%的FBW。這就證明了使用相同的物理尺寸，帶寬增強(qiáng)梳狀濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)更寬的帶寬。也就是說，帶寬增強(qiáng)梳狀濾波器能夠突破加工精度的限制，達(dá)到拓寬帶寬的效果。

表1給出了本文濾波器設(shè)計(jì)與其他梳狀濾波器的性能對(duì)比。可以看出，本文中濾波器的FBW具有

明顯優(yōu)勢(shì)，避免了使用變?nèi)荻O管造成插入損耗增大的缺陷，達(dá)到了突破加工精度的限制的設(shè)計(jì)目標(biāo)，增大了梳狀濾波器本身的帶寬。此外，本文濾波器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方法遵循傳統(tǒng)耦合諧振器理論，易于實(shí)現(xiàn)。

圖5 濾波器仿真與測(cè)試結(jié)果(插圖為加工實(shí)物圖)Fig.5 Simulated and measured results of the third-order combline filter with enhanced couplings and the traditional third-order combline filter表1 本設(shè)計(jì)與其他梳狀濾波器性能比較

文獻(xiàn)FBW/%帶寬增強(qiáng)方法插入損耗/dB尺寸(λg×λg)文獻(xiàn)[3]2.2-8變?nèi)荻O管5.2-6.20.2×0.28文獻(xiàn)[4]3.1-9.4變?nèi)荻O管4.8-6.1N/A文獻(xiàn)[5]3-8變?nèi)荻O管3.5-6.50.75×0.34文獻(xiàn)[10]2.2-11.2變?nèi)荻O管3.1-15.60.18×0.25本文17孔耦合0.80.43×0.43

4 結(jié)束語

本文對(duì)于孔耦合的特性進(jìn)行了研究，并應(yīng)用孔耦合結(jié)構(gòu)，結(jié)合梳狀線結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制造了一款具有帶寬增強(qiáng)能力的梳狀濾波器，突破了加工精度對(duì)物理尺寸的限制，能夠有效的拓寬帶寬，仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)得到了很好地吻合。本文提出的結(jié)構(gòu)為梳狀濾波器的設(shè)計(jì)提供了新的思路，可應(yīng)用于未來寬帶無線通信系統(tǒng)中。

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s：The Graduate Research and Innovation Plan Project of the Universities of Jiangsu Province (KYLX16_0971); The National Natural Science Foundation of China (61501263)

Bandwidth-enhancedcomblinefilterbasedonmetallicviacoupling

CAI Jing, QIN Wei, CHEN Jianxin

School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong 226019, P.R. China)

In this paper, a novel bandwidth-enhanced combline filter based on via coupling mechanism is proposed. The novelty of this design lies in the incorporation of via coupling into combline structure. With the same dimensions of the coupling gaps, the coupling coefficientce of the proposed structure can be greatly enhanced as compared with the traditional combline structure so that the bandwidth of the proposed structure can be widened. Meanwhile, investigation shows that via coupling mechanism reveals better fabrication tolerance than the traditional gap coupling mechanism. For demonstration, a bandwidth-enhanced combline filter and a traditional one are both designed, fabricated and measured. The simulated and measured results are presented, showing good consistency. The fractional bandwidth of the proposed combline filter is 17%, while that of the traditional one is only 5%.

via coupling; combline filter; bandwidth enhancement

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.06.009

2016-10-18

2017-03-09

秦 偉 waiky.w.qin@hotmail.com

江蘇省普通高校學(xué)術(shù)學(xué)位研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYLX16_0971)；國(guó)家自然科學(xué)基金 (61501263)

TN913.5

A

1673-825X(2017)06-0763-05

蔡 璟(1992 -)，男，江蘇人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)。E-mail:caijing2005@163.com。

秦 偉(1984 -)，男，江蘇人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)。E-mail:waiky.w.qin@hotmail.com。

陳建新(1979 -)，男，江蘇人，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)。E-mail:jjxchen@hotmail.com。

(編輯：劉 勇)