應(yīng)用于5G無線通信的微帶周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器設(shè)計

鄭麗萍，和 銘

(1.云南開放大學(xué) 光電與通信工程學(xué)院，昆明 650500；2.云南開放大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,昆明 650500)

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代通信不僅對微波器件的數(shù)量需求加大，更對其性能要求大大提高。在當(dāng)前的無線通信系統(tǒng)中，微帶濾波器作為一個重要部件被廣泛使用。微帶濾波器具有結(jié)構(gòu)緊湊，易于設(shè)計等優(yōu)點，其吸引了大量研究者對其進(jìn)行研究，它廣泛應(yīng)用于無線局域網(wǎng)(wireless local area network, WLAN)，無線城域網(wǎng)(worldwide interoperability for microwave access, WiMAX)，無線通信2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)，以及未來無線通信5G網(wǎng)絡(luò)等。

當(dāng)前，微帶濾波器設(shè)計的常用方法是： 階躍阻抗諧振(stepped-impedance resonator，SIR)方法、周期結(jié)構(gòu)(period structure，PS)方法。SIR濾波器是通過很高和很低的阻抗傳輸線連接而形成諧振，使用該方法可以實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)中常用的低通濾波器[1-3]和帶通濾波器[4-7]。SIR帶通濾波器通常是采用低通濾波器電路變換而來，最常用的變換方法是在傳輸線上打入金屬過孔以形成接地電感，這樣有助于SIR低通濾波器電路在特定頻率范圍內(nèi)形成諧振，以形成SIR帶通濾波器。同時，SIR低通濾波器電路變換為帶通濾波器電路，還需要在高阻抗和低阻抗之間增加電容。對于SIR帶通濾波器常見結(jié)構(gòu)有2種：各個阻抗的諧振單元之間分離[4-5]；各個特征阻抗的諧振單元順序連接[6-7]。不同于SIR濾波器，周期結(jié)構(gòu)的微帶線也能夠?qū)崿F(xiàn)低通濾波器[8-10]和帶通濾波器[11-12]。周期結(jié)構(gòu)的微帶濾波器中各諧振單元的阻抗呈現(xiàn)出周期形式的排列。

SIR濾波器的設(shè)計需要考慮高阻抗與低阻抗之間的變化，也需要考慮各段傳輸線的電長度，這樣就增加了微帶濾波器的優(yōu)化設(shè)計復(fù)雜度。周期結(jié)構(gòu)的微帶濾波器，只需設(shè)計出每個諧振單元，然后將其順序連接起來，這種設(shè)計方法的方便性吸引了很多研究者。

本文設(shè)計的九階帶通濾波器是基于周期結(jié)構(gòu)的諧振單元順序連接而成，仿真工具為ANSYS HFSS高頻仿真軟件。不同于傳統(tǒng)周期結(jié)構(gòu)的低通濾波器設(shè)計[8-10]，該帶通濾波器是根據(jù)低通濾波器原型而來。本文設(shè)計的周期結(jié)構(gòu)的低通濾波器是根據(jù)各節(jié)電容和電感相差不大的SIR低通濾波器原型優(yōu)化而來[13]。通過合理的優(yōu)化可以使SIR低通濾波器中各節(jié)電容和電感優(yōu)化一致，同時保證濾波器的性能，這樣就可以設(shè)計出周期結(jié)構(gòu)的低通濾波器。本文設(shè)計的低通濾波器的低阻抗部分包含2部分：矩形環(huán)與矩形貼片，矩形貼片位于矩形環(huán)中并與矩形環(huán)連接。調(diào)整矩形環(huán)中的矩形貼片大小可以調(diào)節(jié)濾波器的工作頻帶，但不會影響濾波器通帶的傳輸特性和帶外抑制特性，也不會改變?yōu)V波器的整體尺寸。不同于文獻(xiàn)[6-7]在主傳輸線外添加的枝節(jié)上加載金屬過孔來實現(xiàn)帶通濾波器，本文通過在低通濾波器中心一側(cè)的矩形環(huán)中加載金屬過孔使低通濾波器在截止頻率附近發(fā)生諧振以實現(xiàn)帶通濾波器，通過調(diào)整金屬過孔在矩形環(huán)中的位置實現(xiàn)對帶寬的控制，在不改變?yōu)V波器尺寸情況下設(shè)計出需要的工作帶寬。

通過實驗測試，本文設(shè)計的周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器中心頻率為3.33 GHz, 3 dB相對帶寬為6.9%。該濾波器的工作頻段能夠覆蓋目前工信部暫定規(guī)劃的未來5G[14]和WiMAX的工作頻段，因此，可以作為無線通信系統(tǒng)中的前端微波模塊。

1 周期結(jié)構(gòu)的濾波器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計出的周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器的正視圖如圖1。圖1中灰色區(qū)域是鍍的一層金屬作為濾波電路，并在介質(zhì)板的背面鍍一層金屬作為接地層。該帶通濾波器設(shè)計采用的介質(zhì)板材料為Rogers 4350B，介質(zhì)板厚度為1.524 mm，介電常數(shù)為3.48，損耗角正切值為0.004。在表1中給出了該帶通濾波器的主要參數(shù)。

圖1 周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器正視圖Fig.1 Front view of the period structure bandpass filter

mm

從圖1可以看出,該濾波器為九階帶通濾波器，主要由5段微帶線和4組矩形環(huán)構(gòu)成，每組矩形環(huán)包含2個矩形環(huán)單元，各組的矩形環(huán)通過微帶線順序連接。在每個矩形環(huán)偏離濾波器電路中心的一側(cè)都連接有金屬貼片。這種將矩形環(huán)和金屬貼片相結(jié)合的設(shè)計，不同于文獻(xiàn)[6-7]對SIR帶通濾波器的設(shè)計需要寬度大的金屬貼片以獲得較低的阻抗，也不同于文獻(xiàn)[8-12]對周期結(jié)構(gòu)的濾波器設(shè)計同樣需要寬度大的金屬貼片獲得較低的阻抗。采用矩形環(huán)和金屬貼片的設(shè)計，其阻抗的調(diào)整可以通過調(diào)整金屬貼片尺寸來實現(xiàn)。這樣可以在不改變?yōu)V波器整體尺寸的情況下實現(xiàn)對阻抗的控制，從而可以控制電容以實現(xiàn)對工作頻帶的控制。在圖1中每個矩形環(huán)靠近濾波器電路中心一側(cè)加載有一個金屬過孔，使電路形成接地電感。

不同于文獻(xiàn)[13]低通濾波器轉(zhuǎn)換為帶通濾波器的方法，本文的帶通濾波器的形成依賴于加載金屬過孔使低通濾波器在截至頻率附近發(fā)生諧振，從而使帶通濾波器得以形成。圖2給出了未加載金屬過孔時低通濾波器，以及加載金屬過孔后帶通濾波器的仿真S參數(shù)。圖2中Type1表示加載金屬過孔時帶通濾波器的仿真S參數(shù)，Type2表示未加載金屬過孔時低通濾波器的仿真S參數(shù)。從圖2 Type 1仿真曲線發(fā)現(xiàn)，低通濾波器在靠近截止頻率(3.4 GHz)的3 GHz處附近出現(xiàn)諧振，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是沒有調(diào)整好匹配，只需適當(dāng)優(yōu)化電路就可以消除3 GHz附近的諧振。圖2 Type 2仿真曲線表明，該帶通濾波器的中心頻率發(fā)生在低通濾波器截至頻率附近，該帶通濾波器中心頻率為3.44 GHz,3 dB相對帶寬為8.7%。

圖2 帶通和低通濾波器S參數(shù)仿真圖Fig.2 Simulated for lowpass and bandpass filters

2 周期結(jié)構(gòu)的濾波器分析

前面介紹了本文設(shè)計的周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器結(jié)構(gòu)，并簡單介紹該濾波器的設(shè)計基本思路。本小節(jié)將對該濾波器的設(shè)計進(jìn)行具體分析。首先，介紹如何使用SIR低通濾波器的設(shè)計方法設(shè)計出周期結(jié)構(gòu)的低通濾波器；然后，在設(shè)計出的周期結(jié)構(gòu)低通濾波器矩形環(huán)上加載金屬過孔，使其在低通濾波器截止頻率附近形成諧振，以形成帶通濾波器。

2.1 SIR低通濾波器分析

設(shè)計周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器的第1步即為SIR低通濾波器設(shè)計。由于需要設(shè)計的周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器為九階濾波器，故SIR低通濾波器在原型的選擇上也為九階。該SIR濾波器為最平坦低通濾波器，其原型原件值分別為：g0=1.000 0,g1=0.347 3,g2=1.000 0,g3=1.532 1,g4=1.879 4,g5=2.000,g6=1.879 4,g7=1.532 1,g8=1.000 0,g9=0.347 3,g10=1.000 0[13]。這里給出的原型原件值為歸一化數(shù)值，其中：歸一化的截止頻率為1/(2π) Hz；歸一化的特征阻抗為1 Ω。需要設(shè)計的低通濾波器特征阻抗為50 Ω，截至頻率為3.4 GHz。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，將歸一化截止頻率和特征阻抗轉(zhuǎn)換為待設(shè)計濾波器的截止頻率和特征阻抗需要2步，即截止頻率變換和特征阻抗變換。截止頻率變換改變歸一化原型原件值可以由(1)—(3)式表示為

(1)

(2)

(3)

特征阻抗變換改變歸一化原型原件值可以由 (4)—(6)式表示為

(4)

L=Lc×K

(5)

(6)

(1)—(6)式中：C0，L0，R0和f0分別為歸一化原型濾波器中電容、電感、特征阻抗和截止頻率；C，L，Rc和fc分別為待設(shè)計濾波器中電容、電感、特征阻抗和截止頻率。

SIR低通濾波器LC電路圖如圖3所示。根據(jù)(1)—(6)式可以計算出待設(shè)計濾波器中的電容和電感分別為：L1=0.812 9 nH,L2=3.585 9 nH,L3=4.681 0 nH,C1=0.936 21 pF,C2=1.795 95 pF。由于在高頻情況下，集總電容和電感在實際條件下難以實現(xiàn)，這就需要將電容和電感等效轉(zhuǎn)換為微帶線。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，SIR低通濾波器LC電路中電容和電感轉(zhuǎn)換為微帶線可以由(7)—(8)式表示為

(7)

(8)

(7)—(8)式中：βl為微帶線的電長度，電長度指微帶傳輸線的物理長度與所傳輸電磁波波長之比；Z0H為并聯(lián)電容的阻抗，本文選定其值為120 Ω；Z0C為串聯(lián)電感的阻抗，本文選定其值為20 Ω；L和C為圖3中的電感和電容。

圖3 低通濾波器LC電路圖Fig.3 LC circuits of lowpass filter

mm

轉(zhuǎn)換為微帶線形式的SIR低通濾波器正視圖如圖4，其背面鍍一層金屬作為接地層，并且在表2中給出主要的尺寸。這里選擇的介質(zhì)板材料為Rogers 4350B，厚度為1.524 mm，介電常數(shù)為3.48，損耗角正切值為0.004。在表2中的高阻抗部分的微帶線長度約為λc/4,λc為電磁波在該介質(zhì)板中的波長。圖5給出了在圖3中LC電路情況下和圖4微帶線情況下的S參數(shù)仿真對比圖。在圖5中，Type 3表示圖3中電路圖的仿真S參數(shù)，Type 4表示圖4中電路的仿真S參數(shù)。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，通過LC集總電路設(shè)計的仿真和微帶線設(shè)計的仿真基本吻合，其截止頻率也出現(xiàn)在3.4 GHz附近，與最初的設(shè)計相吻合。但是，該濾波器在帶外衰減較差。

圖4 SIR低通濾波器正視圖Fig.4 Front view of SIR lowpass filter

同時，該方法設(shè)計出的SIR濾波器截止頻率并不是直接出現(xiàn)在3.4 GHz處，這就需要調(diào)整截止頻率。根據(jù)(1)式，假如減小截止頻率fc，則系數(shù)M減小。然后根據(jù)(2)—(3)式，系數(shù)M的減小使得LC電路中的電感L和電容C增大。最后根據(jù)(7)—(8)式，電感L和電容C的增大使得微帶線的電長度增大。這樣要適當(dāng)調(diào)整濾波器截止頻率fc，就需要改變?yōu)V波器的尺寸。

圖5 SIR低通濾波器S參數(shù)仿真圖Fig.5 Simulated S-parameters of SIR lowpass filter

2.2 周期結(jié)構(gòu)低通濾波器分析

本文提出的周期結(jié)構(gòu)低通濾波器，其結(jié)構(gòu)同圖1中周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器結(jié)構(gòu)唯一不同的是缺少金屬過孔，其他部分均一致。根據(jù)表2給出的高阻抗微帶線寬度和低阻抗微帶線寬度，并在這一基礎(chǔ)上適當(dāng)優(yōu)化得出周期結(jié)構(gòu)低通濾波器尺寸(如表1所示)。不同的是，該周期結(jié)構(gòu)濾波器高阻抗部分為矩形環(huán)和矩形金屬貼片構(gòu)成。圖6給出了周期結(jié)構(gòu)與SIR低通濾波器S21仿真對比圖，其中：Type 5表示本文提出的周期結(jié)構(gòu)低通濾波器；Type 6表示SIR低通濾波器。從圖6可以看出，這2種濾波器截止頻率基本一致，但周期結(jié)構(gòu)濾波器的帶外抑制特性更優(yōu)異。

圖6 周期結(jié)構(gòu)和SIR低通濾波器S21仿真對比圖Fig.6 Compared simulated S21 for period structureand SIR lowpass filters

根據(jù)(1)—(3)式和(7)—(8)式可分析得出，傳統(tǒng)SIR濾波器設(shè)計中適當(dāng)改變截止頻率會改變?yōu)V波器的整體尺寸。本文提出的周期結(jié)構(gòu)濾波器只需適當(dāng)調(diào)整矩形環(huán)中的矩形金屬貼片尺寸(W2和L2),就可以調(diào)整濾波器的截止頻率，而不需要改變?yōu)V波器的整體尺寸。圖7a給出了調(diào)整W2的S21仿真圖，圖7b給出了調(diào)整L2的S21仿真圖。如圖7所示，增大W2和L2都可以適當(dāng)調(diào)整濾波器的截止頻率，而不改變?yōu)V波器的整體尺寸。增大W2和L2，相當(dāng)于增大圖3中低通濾波器中的電容C，使得截止頻率下降。

圖7 周期結(jié)構(gòu)低通濾波器S21仿真圖Fig.7 Simulated S21 for period structure lowpass filter

2.3 周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器分析

本文提出的周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器如圖1，圖8給出該濾波器的LC等效電路圖，與圖3中SIR低通濾波器的LC等效電路相比，最大變化是通過加載金屬過孔生成了接地電感L6，并且其各級的電容和電感大小均一致。同時，圖1也給出了加載金屬過孔后，引起電路諧振，使低通濾波器變?yōu)閹V波器的情況。

圖7為W2和L2的改變對濾波器截止頻率的影響。同樣，W2和L2的變化還能夠影響圖8中的電容C6。圖9a為改變W2的S11仿真圖，圖9b為改變L2的S11仿真圖。從圖9a和圖9b可以發(fā)現(xiàn)，W2和L2的增大，相當(dāng)于增大圖8中帶通濾波器中的電容C6，導(dǎo)致濾波器的中心頻率下降。因此，改變W2和L2的尺寸可以適當(dāng)調(diào)整濾波器的中心頻率。

圖8 周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器LC電路圖Fig.8 LC circuits of period structure bandpass filter

圖9 周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器S11仿真圖Fig.9 Simulated S21 for period structure bandpass filter

前面給出不改變帶通濾波器整體尺寸，適當(dāng)調(diào)整中心頻率的方法。但對于濾波器工作頻率的適當(dāng)調(diào)整，還需要能夠調(diào)整其帶寬。圖9c所示為調(diào)整加載的金屬過孔的位置對帶寬的影響。從圖9c可以看出，隨著L4的增加，即加載的金屬過孔向矩形環(huán)中間位置靠近，濾波器的帶寬變寬。由于該濾波器電路由傳輸線和金屬過孔形成，因此會有一定程度的損耗。圖10為不同情況下的仿真損耗比較：①輻射、介質(zhì)板和傳導(dǎo)金屬引起的損耗；②輻射和介質(zhì)板引起的損耗；③輻射損耗。從圖10可以看出，該濾波器總損耗約為-1.2 dB，輻射損耗較低。

圖10 周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器計算出的不同傳輸損耗Fig.10 Calculated different transmission lossesfor the period structure bandpass filter

3 實驗測試與分析

為驗證設(shè)計的正確性，對圖1所示結(jié)構(gòu)的電路進(jìn)行加工和測試。圖11為加工的實物圖，圖12為測試和仿真對比圖。測試儀器為Keysight 5234A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。從圖12可以看出，該濾波器測試出的中心頻率為3.33 GHz,3 dB相對帶寬為6.9%。測試結(jié)果相對仿真中心頻率向低頻處有輕微偏移，并且?guī)捖晕⑾陆担@種現(xiàn)象發(fā)生的原因可能是加工中打入介質(zhì)板的金屬過孔位置存在輕微的偏差,以及加工中的微帶線尺寸存在一定的誤差。總體來說，通過加工測試證明該設(shè)計方法具有較好的實用性。

圖11 周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器實物圖Fig.11 Fabricate picture of period structure bandpass filter

圖12 周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器測試和仿真的S參數(shù)對比圖Fig.12 Measured and simulated S-parameters of period structure bandpass filter

4 結(jié)束語

針對未來5G無線通信，一種周期結(jié)構(gòu)的帶通濾波器被設(shè)計出來，可以作為通信系統(tǒng)的前端微波模塊。該濾波器的設(shè)計具體可分為3步：首先根據(jù)傳統(tǒng)SIR低通濾波器設(shè)計方法，設(shè)計出截止頻率位于3.4 GHz附近的濾波器；然后根據(jù)SIR低通濾波器高低阻抗寬度，優(yōu)化出周期結(jié)構(gòu)的低通濾波器；最后在周期結(jié)構(gòu)低通濾波器中靠近電路中心一側(cè)的矩形環(huán)上加載金屬過孔，使其電路在截止頻率附近發(fā)生諧振，以形成帶通濾波器。由于該帶通濾波器在矩形環(huán)中加有矩形金屬貼片，可通過調(diào)整金屬貼片尺寸來適當(dāng)調(diào)整濾波器的中心頻率，使其工作于要求的頻率，調(diào)整加載金屬過孔的位置，還可調(diào)整出符合要求的工作帶寬。本文提出的帶通濾波器設(shè)計方法簡單，在微波電路的設(shè)計中具有很強(qiáng)的適用性。