一種新型雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)

翟麗紅，羅繼陽

（1.太原工業(yè)學(xué)院電子工程系，山西太原030008；2.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，山西太原030006）

在無線及射頻微波通信領(lǐng)域，雙通帶帶通濾波器起著重要的作用，種類繁多，結(jié)構(gòu)各異。到目前為止，眾多學(xué)者使用不同的設(shè)計(jì)方法研究雙通帶濾波器，這些設(shè)計(jì)方法大致分為三類:第一類方法是關(guān)聯(lián)兩個(gè)不同類型的諧振器組成雙通帶帶通濾波器[1-3]，其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單，卻難以控制濾波器的物理尺寸；第二類方法使用階梯阻抗諧振器（SIRS）來設(shè)計(jì)雙通帶濾波器[4-6]，但是SIRS的諧振頻率是相關(guān)的；第三類方法采用一個(gè)單一的雙模式諧振器來實(shí)現(xiàn)雙頻特性。目前，雙模式微帶諧振器已經(jīng)被廣泛使用，其中包括缺陷微帶結(jié)構(gòu)（DMS）[7]、希爾伯特分形結(jié)構(gòu)[8-9]、螺環(huán)結(jié)構(gòu)[10-11]、E型結(jié)構(gòu)[12]、正方形環(huán)[13]等等，這類諧振器通常具有導(dǎo)體損耗偏高和功率處理能力偏低的缺點(diǎn)。除此之外，在濾波器設(shè)計(jì)中存在一類補(bǔ)丁諧振器，例如圓形或方形貼片等。盡管許多三角環(huán)諧振器被使用[14-16]，仍然只有少數(shù)的三角形貼片諧振器[17]，這些貼片諧振器具有較低的插入損耗和較高功率的處理能力。

1 雙通帶濾波器模型設(shè)計(jì)

為了克服雙通帶帶通濾波器占用較大物理空間的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種新型的微帶雙通帶濾波器，包括設(shè)置于介質(zhì)基板上的接地鍵盤式諧振器、開路匹配枝節(jié)、微帶饋電線等。雙通帶濾波器，是利用金屬通孔接地的等邊三角形貼片諧振器，具有電容性的輸入輸出耦合。該濾波器有兩個(gè)傳輸頻帶，且插入損耗低，此外，兩頻帶間隔離性較好。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，設(shè)計(jì)具有以下效果:引入金屬過孔，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)基板上下兩層貼片的互連，可以在等邊三角形微帶貼片單模諧振器的基礎(chǔ)上激勵(lì)出另外一種諧振模式，從而完成雙模諧振器的構(gòu)建；采用金屬缺陷地的結(jié)構(gòu)，可以降低諧振頻率，同時(shí)可以拓寬諧振帶寬；引入開路匹配枝節(jié)的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)饋電端和諧振器單元的匹配，同時(shí)可以進(jìn)一步擴(kuò)展諧振帶寬，提高濾波器頻帶選擇性能。

1.1 濾波器結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)使用金屬孔接地的等邊三角形貼片諧振器的幾何結(jié)構(gòu)的微帶帶通濾波器，整體呈板狀結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示，包括設(shè)置于介質(zhì)基板1上的接地鍵盤式諧振器、開路匹配枝節(jié)4、微帶饋電線5，接地鍵盤式諧振器與微帶饋電線5連接，開路匹配枝節(jié)4設(shè)置在接地鍵盤式諧振器上；接地鍵盤式諧振器包括微帶貼片2、金屬化缺陷地6和金屬過孔3，微帶貼片2設(shè)置在介質(zhì)基板1的上表面，金屬化缺陷地6設(shè)置在介質(zhì)基板1的下表面，微帶貼片2與金屬化缺陷地6通過金屬過孔3連通。

圖1 新型微帶帶通濾波器上表面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 新型微帶帶通濾波器下表面結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 濾波器等效電路

沒有金屬孔接地的普通等邊三角形貼片諧振器可以模擬為一個(gè)諧振電路，電容和電感并聯(lián)。在本文的設(shè)計(jì)中，金屬通孔位于等邊三角形貼片諧振器的對(duì)稱軸上，相當(dāng)于一個(gè)共振電路，通過引入金屬過孔，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)基板上下兩層貼片的互連，可以在等邊三角形微帶貼片單模諧振器的基礎(chǔ)上激勵(lì)出另外一種諧振模式，等效為LC諧振電路，產(chǎn)生第二諧振點(diǎn)，從而完成雙模諧振器的構(gòu)建，如圖3所示。

圖3 新型微帶帶通濾波器的等效電路圖

優(yōu)選地，微帶貼片2呈等邊三角形設(shè)置，微帶饋電線5為50Ω微帶饋電線。采用金屬缺陷地6的結(jié)構(gòu)，可以降低諧振頻率，同時(shí)可以拓寬諧振帶寬。

引入開路匹配枝節(jié)4的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)饋電端和諧振器單元的匹配，同時(shí)可以進(jìn)一步擴(kuò)展諧振帶寬，提高濾波器頻帶選擇性能。

2 濾波器設(shè)計(jì)

按照?qǐng)D4所示的結(jié)構(gòu)，雙通帶濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。設(shè)計(jì)濾波器實(shí)物如圖5所示。

表1 濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 雙通帶濾波器的示意圖

圖5 設(shè)計(jì)的濾波器實(shí)物

3 仿真測(cè)試與分析

如圖6所示，對(duì)有金屬通孔和無金屬通孔的等邊三角形諧振器的仿真參數(shù)S（散射參數(shù)）進(jìn)行了對(duì)比。由此可以看出，沒有金屬通孔接地的等邊三角形諧振器只有一個(gè)諧峰值，位于6 GHZ頻率處。然而，隨著引入金屬通孔接地結(jié)構(gòu)，諧振器具有兩個(gè)諧峰值，分別位于6.2 GHZ和2.6 GHZ頻率處。與上述仿真結(jié)果一致，本文提出的金屬通孔接地結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了等邊三角形微帶貼片諧振器的第二個(gè)諧振峰。此外，本文所提出的諧振器與普通諧振器相比，在低頻處有較好的阻帶抑制特性。

圖6 新型微帶帶通濾波器有無金屬過孔的仿真效果圖

新型貼片諧振器可以采用奇/偶模式進(jìn)行分析，金屬通孔的位置對(duì)于奇模式下的諧振頻率（基本共振頻率）不產(chǎn)生影響，而在偶模式下諧振頻率能夠被調(diào)諧。當(dāng)R從-5.6125～0.56125 mm之間以步長為1.68375 mm變化時(shí)，諧振頻率從2.4 GHZ變化到3 GHZ。隨著R的不斷增大，諧振頻率逐漸降低到2.6 GHZ。除此之外，隨著R的變化，諧振頻率在6.1 GHZ處達(dá)到穩(wěn)定。適當(dāng)調(diào)整參數(shù)R，雙頻帶濾波器的諧振頻率就可以實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的電路是在1 mm厚的電介質(zhì)常數(shù)為2.55的Rogers高頻基板上實(shí)現(xiàn)的，通過基于有限元法（FEM）的Ansoft公司的HFSS進(jìn)行仿真和優(yōu)化。如圖1所示，等邊三角形貼片諧振器的上表面放置在基片的中心，一對(duì)對(duì)稱的微帶線放置在該諧振器的兩側(cè)，沿著等邊三角形微帶貼片的對(duì)稱軸，金屬通孔連接著基片的上下表面。

圖7 DGS對(duì)濾波器傳輸特性的影響

在圖7中，引入DGS技術(shù)，不改變整體尺寸，濾波器的傳輸特性S21發(fā)生了改變。與沒有引入DGS相比較，發(fā)送頻帶向較低的頻率處移動(dòng)，且右傳輸頻帶變寬。

使用DGS時(shí)，開路支節(jié)線技術(shù)使得輸入與輸出相匹配，并且抑制諧波。圖8給出了雙通帶濾波器有無支節(jié)線的仿真結(jié)果比較。可見，本文提出的濾波器采用了DGS和開路支節(jié)線技術(shù)，呈現(xiàn)出陡峭的截止響應(yīng)，有更寬的通頻帶，更低的插入損耗，在阻帶上具有更強(qiáng)的衰減。

圖8 有無支節(jié)線時(shí)的濾波器傳輸特性的比較

4 測(cè)量結(jié)果與分析

濾波器采用Anritsu Vector Network Analyzer MS4624D進(jìn)行測(cè)量。仿真測(cè)量結(jié)果如圖9所示，具有良好的吻合度。在每個(gè)通帶的兩側(cè)都會(huì)產(chǎn)生四個(gè)傳輸零點(diǎn)來提高選擇性。最大的sharp skirt可以達(dá)到109 db/GHZ，并且在阻帶衰減接近60 dB。第一個(gè)通帶的傳輸損耗為0.13 dB，第二個(gè)通帶的傳輸損耗為1.6 dB，本文設(shè)計(jì)濾波器的兩個(gè)中心頻率為2.4/5.8 GHz，3 dB帶寬分別為230/920 MHz。本文濾波器與2.4/5.8 GHz無線局域網(wǎng)的規(guī)格相符。

圖9 仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的比較

5 結(jié)語

文章提出了一種新型的雙通帶帶通濾波器，采用金屬通孔接地等邊三角形結(jié)構(gòu)，引入了DGS和開路支節(jié)線技術(shù)，提高了頻率選擇性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的濾波器有陡峭的截止響應(yīng)，較低的插入損耗和較強(qiáng)的阻帶衰減。實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果一致。