基于工字型雙模諧振器的雙階帶通濾波器設(shè)計(jì)

雷 濤,張 鐸,向天宇,周瑞山,朱曉維

(1.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 211189;2.中國振華集團(tuán)云科電子有限公司,貴州貴陽 550018;3.貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院,貴州貴陽 550025)

射頻/微波濾波器是無線通信系統(tǒng)中射頻前端的關(guān)鍵器件,如何提高其帶外抑制度與選擇性是目前的主要研究方向之一。以發(fā)夾型、交指型和半開環(huán)結(jié)構(gòu)為代表的級聯(lián)耦合與交叉耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)濾波器的綜合理論與設(shè)計(jì)方法已經(jīng)十分成熟,此類濾波器帶外抑制與選擇性較好,但是尺寸較大,可實(shí)現(xiàn)帶寬有限,帶內(nèi)插損較大。多模諧振器技術(shù)在寬帶、超寬帶、多頻帶的小型化濾波器設(shè)計(jì)方面具有很多優(yōu)良的特性,但是目前絕大多數(shù)文獻(xiàn)關(guān)于平面多模濾波器的設(shè)計(jì)都是采用單諧振器結(jié)構(gòu),因此所設(shè)計(jì)的濾波器在帶外抑制度和選擇性方面的性能不高,限制了平面多模濾波器的應(yīng)用范圍。

通過提高多模諧振器的階數(shù)可以有效提高多模濾波器的帶外抑制與選擇性[1-2]。Hong等[3]采用三角盤雙模諧振器實(shí)現(xiàn)了雙階雙模帶通濾波器,其低阻帶具有一個傳輸零點(diǎn),高阻帶無傳輸零點(diǎn),選擇性較差,尺寸也較大;Qiu等[4]基于相同的耦合拓?fù)?采用支節(jié)加載半波長諧振器,實(shí)現(xiàn)了具有優(yōu)良選擇性與帶外抑制的濾波器;Cheng等[5]采用感性耦合四分之一波長階梯阻抗諧振器(SIR)設(shè)計(jì)了一款四階交叉耦合帶通濾波器,上下阻帶各有一個傳輸零點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的帶外抑制與選擇性,并且利用四分之一波長階梯阻抗諧振器的雜散位于三倍頻的特性,有效增加了阻帶寬度;Ge等[6]提出一種四分之一波長諧振器和雙模諧振器混合構(gòu)成的四階盒式結(jié)構(gòu)的高選擇性帶通濾波器,相比傳統(tǒng)的四階盒式結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)簡單,低阻帶具有一個傳輸零點(diǎn),帶外抑制大于40 dB。本文首次基于工字型雙模諧振器,采用雙階拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了具有三個傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器,濾波器結(jié)構(gòu)緊湊,具有較好的選擇性與帶外抑制度。

1 工字型雙模諧振器分析

工字型雙模諧振器結(jié)構(gòu)如圖1所示,由半波長開路諧振器與中間加載的T型支節(jié)組成,Y1、Y2、Y3為對應(yīng)微帶線的特性導(dǎo)納,L1、L2、L3為對應(yīng)微帶線的長度。由于諧振器結(jié)構(gòu)對稱,因此采用奇偶模方法對諧振器的諧振特性進(jìn)行分析,奇偶模等效電路如圖2所示,奇模輸入導(dǎo)納為:

圖1 工字型雙模諧振器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of I-shaped dual-mode resonator

圖2 奇偶模等效電路Fig.2 Odd-even mode equivalent circuit

θ1=βL1,是該微帶線的電長度。

偶模輸入導(dǎo)納為:

選擇合適的微帶線寬,使得Y1=1/2Y2=Y3時,(2)式簡化為:

式中:θ2=βL2,θ3=βL3是對應(yīng)的微帶線的電長度。

根據(jù)諧振條件Yin=0,得到奇模與偶模諧振頻率分別為:

式中:c為真空中的光速;εeff為基板的有效介電常數(shù)。

在弱耦合條件下,諧振器諧振特性隨長度L3的變化如圖3所示,當(dāng)L3尺寸較小時,feven＞fodd,隨著L3的增大,feven向低頻段移動。當(dāng)L3進(jìn)一步增大時,feven＜fodd,傳輸零點(diǎn)始終位于偶模諧振頻率一側(cè)。因此,該傳輸零點(diǎn)是與偶模有關(guān)的傳輸零點(diǎn)。

圖3 L3對雙模諧振器諧振特性的影響Fig.3 Simulated characteristics of the resonator with variedL3

理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)表明工字型雙模諧振器與常見的T型雙模諧振器、E型雙模諧振器均屬于開路支節(jié)加載的半波長雙模諧振器[7-8],三種雙模諧振器具有相同的諧振特性。奇模諧振頻率與中間加載的T型支節(jié)的尺寸無關(guān),偶模諧振頻率隨T型支節(jié)尺寸的增加而降低。工字型雙模諧振器具有比T型雙模諧振器以及E型雙模諧振器更加緊湊的結(jié)構(gòu)。

2 雙階雙模濾波器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的雙階雙模帶通濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示,輸入/輸出(I/O)饋線、雙模諧振器之間均采用邊緣耦合的方式,濾波器結(jié)構(gòu)對稱。其對應(yīng)的耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示,濾波器具有兩個獨(dú)立的耦合路徑,諧振模式1與諧振模式3分別對應(yīng)于雙模諧振器Ⅰ的偶模與奇模,諧振模式2與諧振模式4分別對應(yīng)于雙模諧振器Ⅱ的偶模與奇模。介質(zhì)基板采用Rogers4350B,相對介電常數(shù)為3.48,厚度為0.508 mm,采用電磁仿真軟件ADS對濾波器進(jìn)行優(yōu)化仿真,設(shè)置初始參數(shù):L1=6 mm,W1=0.3 mm,L2=2 mm,W2=0.6 mm,L3=12 mm,W3=0.3 mm,L4=5.5 mm,W4=0.3 mm,S1=0.2 mm,S2=0.5 mm,S3=0.55 mm,在輸入/輸出與雙模諧振器弱耦合條件下,支節(jié)長度L3對濾波器響應(yīng)的影響如圖6所示。支節(jié)的長度L3主要影響后兩個諧振模式,既偶模諧振模式;不影響前兩個諧振模式,既奇模諧振模式,進(jìn)一步證明了濾波器的耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

在濾波器設(shè)計(jì)過程中首先可以通過中心頻率和帶寬初步確定雙模諧振器的尺寸L1、L2、L3,然后通過調(diào)節(jié)耦合間距S2、S3進(jìn)一步優(yōu)化濾波器的通帶特性,仿真實(shí)驗(yàn)表明S2、S3的微小變化對濾波器的通帶特性具有顯著的影響。

圖4 濾波器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the bandpass filter

圖5 濾波器耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Coupling topology of the proposed bandpass filter

圖6 L3對濾波器諧振模式的影響Fig.6 Resonating modes of the filter with variedL3

3 濾波器測試

優(yōu)化得到濾波器最終的尺寸為L1=6.3 mm,W1=0.3 mm,L2=1.8 mm,W2=0.6 mm,L3=3.3 mm,W3=0.3 mm,L4=5.8 mm,W4=0.3 mm,S1=0.2 mm,S2=0.23 mm,S3=0.55 mm。 濾波器實(shí)物如圖7所示,濾波器有效尺寸為13.7 mm×5.35 mm,等于0.56λg×0.22λg,濾波器仿真測試結(jié)果如圖8所示,濾波器中心頻率為7.34 GHz,帶寬為1.54 GHz,相對帶寬為20.9%,通帶內(nèi)最小插損為1.9 dB,回波損耗大于16 dB,三個帶外傳輸零點(diǎn)分別位于3.17,8.36,9.61 GHz,上下阻帶抑制度分別大于30 dB,46 dB,一次雜散的抑制度大于18 dB。本文提出的濾波器與參考文獻(xiàn) [3],[6],[9]的濾波器相比,結(jié)構(gòu)更加緊湊,帶外傳輸零點(diǎn)數(shù)量更多,下阻帶抑制度更高,上邊頻選擇性更好,如表1。

圖7 濾波器實(shí)物圖Fig.7 Photograph of the fabricated filter

圖8 仿真測試結(jié)果Fig.8 Simulated and measured results for filter

表1 濾波器主要性能比較Tab.1 Comparison of the filter main performances

4 結(jié)論

本文采用邊緣耦合的方式實(shí)現(xiàn)了基于工字型雙模諧振器的雙階拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶通濾波器,通帶內(nèi)具有四個諧振模式,濾波器結(jié)構(gòu)緊湊,帶外存在三個傳輸零點(diǎn)。通過增加雙模諧振器的階數(shù),濾波器的選擇性與帶外抑制度得到有效提高,能夠廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中。該濾波器的通帶特性對濾波器尺寸非常敏感,因此對電路加工精度要求較高。