一種三頻帶微帶帶通濾波器的設計

劉秋慧，韓躍平，吳倩楠，李孟委，王姍姍

(1.中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051；2.中北大學 微系統(tǒng)集成研究中心，山西 太原 030051；3.中北大學 理學院，山西 太原 030051；4.中北大學 儀器與電子學院，山西 太原 030051)

0 引 言

近年來，無線通信技術發(fā)展突飛猛進，對無線射頻系統(tǒng)性能要求越來越高.無線射頻前端主要由濾波器、混頻器、天線、低噪聲放大器、中頻放大器、振蕩器等一些射頻元器件構成[1].濾波器作為射頻前端的關鍵器件之一，在射頻微波系統(tǒng)中起著至關重要的作用.而濾波器按照選頻作用可分為：高通、低通、帶通、帶阻濾波器，其中帶通濾波器主要是用來通過有用的頻率而濾除頻譜外的無用信號，其性能直接影響著無線射頻前端的通信質量，近年來受到學術界和商業(yè)界的極大關注.

目前常見的微波帶通濾波器[2]主要有LC集總元件濾波器[3]、微帶濾波器[4]、同軸濾波器[5]、波導濾波器[6]、介質濾波器[7]、基片集成波導濾波器[8]和聲表面波濾波器[9]等.其中微帶濾波器由于具有體積小、成本低、易加工、易集成等優(yōu)點，被廣泛應用在微波通信領域中.傳統(tǒng)的濾波器只能工作在固定的單頻帶，需要通過多個單頻系統(tǒng)并聯(lián)實現(xiàn)多頻帶功能.這樣不僅增大了射頻前端的體積、增加了頻道間相互干擾，而且降低了前端系統(tǒng)的穩(wěn)定性.因此，研究一種多頻帶微帶帶通濾波器具有重要的意義.

多頻帶帶通濾波器的設計可以通過枝節(jié)加載諧振器[10-11]、級聯(lián)多模諧振器[12-15]以及環(huán)形諧振器[16-17]等方法實現(xiàn).本文設計并制作了一種多個彎折型諧振器串聯(lián)而成的三頻帶帶通濾波器，可以縮小多頻帶帶通濾波器的結構尺寸、降低設計難度，同時易于工藝加工.此外，本文還利用網(wǎng)絡分析儀對三頻帶帶通濾波器樣品的濾波性能進行測試，通過對比仿真結果，驗證理論設計的正確性，為多頻帶帶通濾波器的研究提供一定的技術支撐.

1 濾波器的結構設計

本文對單頻、雙頻、三頻三種微帶帶通濾波器進行了設計，其中結構示意圖如圖 1 所示，圖 1(a)～圖 1 (c)分別為單頻、雙頻和三頻帶微帶帶通濾波器平面圖.它們主要由基板和彎折型諧振銅層組成，基板選用聚四氟乙烯玻璃布納米陶瓷覆銅箔板(F4B系列)材料，介電常數(shù)為2.6.三種帶通濾波器左右兩側均為端口傳輸線，用于信號的輸入和輸出，其阻抗匹配均為50 Ω.以彎折型單頻諧振結構為基本單元，通過多個諧振結構的串聯(lián)可實現(xiàn)雙頻和三頻帶濾波器，并對每個諧振結構的尺寸進行優(yōu)化，獲得不同中心頻率下的濾波性能.其中L4為輸入/輸出端口傳輸線長度，L1,L10,L11分別為單頻、雙頻和三頻帶微帶帶通濾波器諧振結構的最大長度.三種帶通濾波器的具體尺寸如表 1 所示.

圖 1三種微帶帶通濾波器結構示意圖Fig.1 Structure of three microstrip bandpass filters

參數(shù)設計值/mm參數(shù)設計值/mmL23.1W12.1L30.5W212L46W310.6L51W49.5L62W60.4L71W81L80.2W90.5L96W124L1130.6W72

這里，三種微帶帶通濾波器主要采用開環(huán)階躍阻抗諧振器、U型半波長諧振器和彎折枝節(jié)加載器，其中以三頻帶微帶帶通濾波器為例，其結構的等效理論模型如圖 2 所示，θ1～θ4對應物理長度為(2L5+L6+W3)，W4，(L11+2W7)，(L5+0.5L5+W3)的電長度，Y1～Y4對應物理寬度為L5，L6，L3，L5的特性導納.圖 2(a)～圖 2(c)分別對應三個諧振頻率的等效電路，通過合理調(diào)節(jié)結構參數(shù)，可以使諧振頻率在DC～4.5 GHz的通帶范圍內(nèi)出現(xiàn)三個濾波頻率，理論上頻率可通過式(1)～式(3)計算得到.

(1)

(2)

(3)

式中：c表示光速；εeff表示基板的有效相對介電常數(shù).

圖 2結構等效理論模型Fig.2 Structural equivalent theory model

2 濾波器的仿真與優(yōu)化

本文利用有限元仿真軟件HFSS建立三種微帶帶通濾波器的結構模型，然后通過參數(shù)掃描優(yōu)化模型尺寸.并采用ADS軟件把輸入輸出端口設置為標準的50 Ω，計算出合適的端口微帶線寬度.其中HFSS仿真模型如圖 3 所示，圖 3(a)～圖 3(c) 分別為單頻、雙頻和三頻帶微帶帶通濾波器的仿真模型.

圖 3三種微帶帶通濾波器仿真模型Fig.3 Simulation model of three microstrip bandpass filters

圖 4(a) 和圖 4(b) 分別是基板材料的相對介電常數(shù)對插入損耗和回波損耗的影響情況.仿真結果表明，基板材料的相對介電常數(shù)對帶通濾波器的中心頻率和插入損耗影響很小，當基板的相對介電常數(shù)減小，其回波損耗性能變好.圖 4(c) 和圖 4(d) 分別是基板厚度對插入損耗和回波損耗的影響情況.保持其他參數(shù)不變，當基板的厚度從0.6 mm變化到1.4 mm時，其中心頻率基本保持不變，插入損耗性能會明顯變好，回波損耗在基板厚度為0.8 mm時性能最佳，因此本文選用0.8 mm的基板.

圖 4基板材料和厚度對三種微帶帶通濾波器濾波性能的影響Fig.4 Influence of substrate material and thickness on filtering performance of three microstrip bandpass filters

考慮實物加工過程中樣品的介電常數(shù)、介質厚度等參數(shù)對濾波器中心頻率、插入損耗、回波損耗等性能指標的影響，本文選用聚四氟乙烯玻璃布納米陶瓷覆銅箔板(F4B系列)作為濾波器的基板材料，其介電常數(shù)為2.6，介質損耗角正切值為0.001 5.基板表面金屬層選擇電導率為5.8×107S/m的銅材料，其厚度為0.036 mm.

圖 5結構參數(shù)對三種微帶帶通濾波器濾波性能的影響Fig.5 Influence of structure parameter on filtering performance of three microstrip bandpass filters

此外，本文還對濾波器的重要結構參數(shù)進行了優(yōu)化工作.其中圖 5(a)、圖 5(b)分別是W9對插入損耗和回波損耗的影響情況.仿真結果表明：改變W9對帶通濾波器的第一個中心頻率沒有影響，但是隨著W9減小，第二、三個中心頻率會逐漸向低頻方向偏移，且其回波損耗性能變好.圖 5(c) 和圖5(d)分別是W10對插入損耗和回波損耗的影響情況.在保持其他參數(shù)不變時，W10從3.0 mm 以0.5 mm步進增大到4.5 mm時，中心頻率會明顯向低頻方向偏移，插入損耗和回波損耗性能也較好；當W10增大到4.5 mm時性能最佳，綜上考慮，本文W9和W10的設計值分別為0.5 mm, 4.5 mm.

利用HFSS優(yōu)化得到的三種微帶帶通濾波器S參數(shù)仿真結果如圖 6 所示，其中工作頻率為DC～4.5 GHz.

圖 6三種微帶帶通濾波器仿真結果Fig.6 Simulation results of three microstrip bandpass filters

圖 6(a) 和圖6(b)分別為單頻、雙頻和三頻帶微帶帶通濾波器的插入損耗、回波損耗的仿真結果，結果表明，從單頻帶到三頻帶，帶通濾波器的第一個中心頻率依次前移.其中三頻帶微帶帶通濾波器的中心頻率分別為2.16, 2.96, 3.96 GHz，插入損耗分別為-0.95 dB@2.16 GHz，-1.02 dB@2.96 GHz, -0.44 dB@3.96 GHz，回波損耗分別為-12.24 dB@2.16 GHz, -23.59 dB@2.96 GHz, -21.21 dB@3.96 GHz.

3 濾波器的測試結果與分析

根據(jù)設計指標，本文對三頻帶微帶帶通濾波器進行了樣品制作與加工.F4B系列基板采用雙面印刷制作，基板上下表面敷以銅箔,銅箔厚度均為0.036 mm，利用薄膜工藝在F4B基板上完成金屬層圖形制作.三頻帶微帶帶通濾波器樣品圖如圖 7 所示，整個濾波器結構尺寸為40 mm×15 mm.

本文對三頻帶微帶帶通濾波器實物進行了性能指標測試.整個測試環(huán)境均在常溫下進行.在測試時，首先將SMA接頭焊接在微帶帶通濾波器的微帶線上，通過轉換接頭將SMA接頭連接于矢量網(wǎng)絡分析儀的接口上.然后通過矢量網(wǎng)絡分析儀對微帶帶通濾波器的S參數(shù)進行測試，最終獲得的測試結果如圖 8(a)，圖 8(b) 所示，其中圖 8(a), 圖8(b)分別為三頻帶微帶帶通濾波器的插入損耗、回波損耗的仿真與測試結果對比圖.

圖 8三種微帶帶通濾波器測試與仿真結果對比Fig.8 Comparison of three microstrip bandpass filters test and simulation results

通過測試發(fā)現(xiàn)樣品的濾波中心頻率有三個，分別為2.23, 2.83, 4.05 GHz，與理論仿真存在一定的頻率偏移，這可能是加工精度和介質基板的不均勻造成的，但不影響三頻帶通濾波性能.從仿真和測試結果來看，制作的三頻帶通濾波器的S參數(shù)性能一致性較好，測試獲得插入損耗分別為-1.36 dB@2.23 GHz, -4.37 dB@2.83 GHz, -0.91 dB@4.05 GHz，回波損耗分別為-9.59 dB@2.23 GHz, -6.16 dB@2.83 GHz, -16.65 dB@4.05 GHz，帶外抑制為45.64 dB@1.18 GHz.

4 結 論

本文設計并制作了一種多個彎折型諧振器串聯(lián)而成的三頻微帶帶通濾波器，利用有限元仿真軟件HFSS進行結構仿真優(yōu)化，通過矢量網(wǎng)絡分析儀對濾波性能進行測試.測試與仿真數(shù)據(jù)對比表明，該帶通濾波器的性能良好，S參數(shù)性能一致性較好，可以為多頻微帶帶通濾波器的研究與應用提供技術支持.