基于雙模環(huán)形諧振器的雙頻帶濾波器設(shè)計

趙芳麗, 翁敏航, 陳德禮

( 莆田學(xué)院 信息工程學(xué)院， 福建 莆田 351100 )

隨著無線局域網(wǎng)的發(fā)展，多業(yè)務(wù)無線移動通信系統(tǒng)引起了人們的廣泛關(guān)注，尤其是在無線局域網(wǎng)的組合方面.帶通濾波器作為射頻前端的關(guān)鍵器件，近年來逐漸向多頻帶、小型化、高隔離度等方向發(fā)展[1].目前，多頻帶濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有以下類型:級聯(lián)帶通和帶止濾波器，采用步階阻抗諧振器(SIRs)，兩個或多個單諧振器的組合等[2].因這些類型的多頻帶濾波器的結(jié)構(gòu)均由兩個或兩個以上諧振器組合而成，因此導(dǎo)致濾波器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，而且不同的諧振器模態(tài)之間難以耦合.對此，Luo等通過在一個均勻特性阻抗的微帶圓環(huán)上添加開路枝節(jié)作為微擾點,使圓環(huán)的2個奇偶模式分離，從而形成了雙通帶濾波器[3].這種方法可減小濾波器的尺寸，但因第2通帶的諧振頻率約是第1通帶諧振頻率的2倍，因而使得第2通帶的諧振頻率難以調(diào)節(jié).Huang等提出了一種環(huán)形結(jié)構(gòu)的階梯阻抗諧振器[4]，該諧振器雖然可減小電路尺寸，并調(diào)節(jié)第2通帶的諧振頻率問題，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于設(shè)計.基于上述研究，本文根據(jù)奇偶模分析法，利用壓縮雙模環(huán)形諧振器設(shè)計一種雙模態(tài)矩形環(huán)形濾波器，并通過實驗驗證該濾波器的性能.

1 雙頻帶濾波器理論

1.1 雙模態(tài)矩形環(huán)形濾波器

圖1 雙模態(tài)矩形環(huán)形濾波器結(jié)構(gòu)圖

1972年， Wolff[5]首次提出了可產(chǎn)生雙模態(tài)的環(huán)形結(jié)構(gòu)，基于此，Hong等[6]利用方形環(huán)設(shè)計了一種全波長的雙模態(tài)濾波器，并實現(xiàn)了濾波器的小型化.雙模態(tài)環(huán)形濾波器須具備以下條件[7]： ①輸入輸出必須正交； ②在諧振器內(nèi)順有一微擾點，使電磁波在傳輸路徑上形成不連續(xù)，從而激發(fā)共振頻率； ③整體電路結(jié)構(gòu)必須是對稱的.

本文以Hong等設(shè)計的方形環(huán)形雙模態(tài)濾波器為基礎(chǔ)，設(shè)計一種雙模態(tài)矩形環(huán)形濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.2 奇偶模分析法

根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)，定義矩形環(huán)邊長為L， 電長度為θ， 阻抗為Z.微擾點采用正方形貼片，邊長為P， 電長度為θP， 特性阻抗為2ZP.本文采用奇偶模分析法分析雙模態(tài)環(huán)形諧振器的諧振特性.

根據(jù)微帶線理論[8]，奇模態(tài)時，對稱面CD為“電壁”(相當(dāng)于短路)，其等效電路如圖2(a)所示.圖2(a)中的輸入端奇模輸入導(dǎo)納Yin，o的計算公式為：

(1)

偶模態(tài)時，對稱面CD為“磁壁”(相當(dāng)于開路)，其等效電路如圖2(b)所示.圖2(b)中的輸入端偶模輸入導(dǎo)納Yin,e的計算公式為：

(2)

(a)奇模 (b)偶模 圖2 奇偶模等效電路

2 雙模態(tài)雙頻帶濾波器的設(shè)計

2.1 設(shè)計流程

圖3 壓縮雙頻帶帶通濾波器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述分析，若調(diào)整環(huán)形諧振器的兩個通帶的位置，即可實現(xiàn)帶通濾波器，同時可以減小濾波器的尺寸.在確保雙模態(tài)濾波器的設(shè)計性能下，為了進一步縮小濾波器的尺寸，本文在圖1所示的雙模態(tài)矩形環(huán)形濾波器的基礎(chǔ)上，將雙模態(tài)矩形環(huán)從每個邊的中間向環(huán)中心壓縮，形成交叉型間隙(g)，如圖3所示.

圖4中的3條曲線是不同g(g=1、3、8 mm )的雙頻帶濾波器的頻率響應(yīng).由圖4可以看出，在2.4 GHz附近，第1個通帶幾乎不隨g發(fā)生變化，而第2個通帶則隨g的增大發(fā)生較大偏移.由此可以看出，通過調(diào)節(jié)g可以調(diào)整兩個通帶中心頻率的位置，從而達(dá)到設(shè)計要求.

為得到2.4/5.2 GHz 2個通帶，本文利用IE3D軟件對壓縮雙頻帶濾波器的結(jié)構(gòu)進行仿真分析，并以此確定壓縮雙模環(huán)形雙頻帶帶通濾波器的壓縮間隙(g=3 mm ).g=3 mm時的雙頻帶濾波器的頻率響應(yīng)如圖5所示.由圖5可以看出，2.4/5.2 GHz 2個通帶的插入損耗分別為-2.5 dB和-0.8 dB，回波損耗均大于-15 dB.

圖4 不同g的雙頻帶濾波器的頻率響應(yīng)

圖5 g=3 mm時的雙頻帶濾波器的頻率響應(yīng)

2.2 濾波器的制作及檢測

本文采用RF4基板制作壓縮雙模環(huán)形雙頻帶濾波器，結(jié)構(gòu)如圖3所示.RF4基板的厚度為1.60 mm,相對介電常數(shù)為4.4， 損耗角正切為0.01.實際制作尺寸為：L1=6.713 mm，L2=7.0 mm，L3=1.3 mm，L4=2.8 mm，L5=6.274 mm，g1=3 mm，g2=0.5 mm，w1=1.23 mm，w2=w3=0.5 mm .各參數(shù)表示的意義如圖3所示.

制作的雙頻帶濾波器的實物圖如圖6所示.經(jīng)測量，該濾波器的電路尺寸為18 mm ×18 mm .與傳統(tǒng)的雙頻帶環(huán)形帶通濾波器的體積相比，本文設(shè)計的壓縮環(huán)形雙頻帶濾波器的體積減小了約19%.

使用HP8722ES網(wǎng)絡(luò)分析儀對制作的雙通帶濾波器的頻率響應(yīng)進行測試，測試結(jié)果如圖7所示.由圖7可以看出：在2.5 GHz時，插入損耗S21=-3.0 dB，回波損耗S11=-10 dB； 在5.25 GHz時，插入損耗S21=-2.2 dB，回波損耗S11=-12 dB； 在第1個中心頻率(2.4 GHz)的兩側(cè)(2.3 GHz和2.9 GHz)出現(xiàn)了傳輸零點，表明濾波器的選擇性得到了提高.測量數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果相比，測量數(shù)據(jù)中的插入損耗有所增大，反射系數(shù)有所減小.其主要原因為： 一是FR4基板自身損耗較大； 二是雕刻機的針頭較粗，使得制作的誤差較大.在上述設(shè)計制造中，若采用低損耗基板(如RT/Duroid或者Al2O3)和更細(xì)的雕刻機的針頭，即可降低濾波器的插入損耗，頻率漂移會得到很大改善[9-10].

圖6 制作的雙頻帶濾波器的實物圖

圖7 雙頻帶濾波器頻率響應(yīng)的測量值

3 結(jié)論

測試表明，本文設(shè)計的基于雙模環(huán)形諧振器的雙頻帶帶通濾波器，與傳統(tǒng)的雙頻帶環(huán)形帶通濾波器相比具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、選擇性好的優(yōu)點，因此該濾波器在無線通信系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用價值.在濾波器的設(shè)計制作過程中，由于本文使用的是FR4基板，因此在測試中插入損耗和回波損耗略有增大，若采用低損耗基板即可有效克服這一缺點.