基于山字形諧振結(jié)構(gòu)的六狀態(tài)可重構(gòu)微帶濾波器的設(shè)計(jì)

李國(guó)強(qiáng)，劉北佳

(1.哈爾濱市科佳通用機(jī)電股份有限公司，哈爾濱 150006； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

1 前言

近年來(lái)，由于智能無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的發(fā)展，要求射頻前端能夠滿(mǎn)足多種應(yīng)用需求、支持多個(gè)通信系統(tǒng)動(dòng)態(tài)切換工作，實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻段信號(hào)傳輸以及抑制干擾信號(hào)的能力。在射頻前端中，濾波器必不可少?？芍貥?gòu)濾波器的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用對(duì)于智能無(wú)線(xiàn)通信具有重要意義[1-2]。目前，已有重構(gòu)頻率和重構(gòu)帶寬的研究成果，其中，實(shí)現(xiàn)純粹帶通的頻率重構(gòu)技術(shù)較多[3]，具有不同頻帶特性的多狀態(tài)可重構(gòu)濾波器有待進(jìn)一步研究實(shí)現(xiàn)。提出了一種基于耦合多模諧振器的可重構(gòu)微帶濾波器。它由可重構(gòu)的山字形諧振器、微帶主饋線(xiàn)、介質(zhì)基板和金屬地板構(gòu)成。在主饋線(xiàn)引入開(kāi)關(guān)，控制著電磁能量傳輸?shù)穆窂?，進(jìn)而使所集成的諧振器發(fā)揮帶通或帶阻的濾波功能。根據(jù)奇偶模理論，改變中心諧振器中心枝節(jié)的長(zhǎng)度影響著偶模諧振頻率，進(jìn)而改變天線(xiàn)工作頻率。通過(guò)開(kāi)關(guān)二極管驅(qū)動(dòng)有效的中心枝節(jié)長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)工作頻帶的切換。

2 濾波器設(shè)計(jì)

圖1是本研究提出的基于山字形多模諧振器的可重構(gòu)濾波器結(jié)構(gòu)圖。介質(zhì)基板采用厚為1 mm的FR4材料，正面為山字形諧振器與主饋線(xiàn)通過(guò)縫隙耦合，背面為全金屬地板。設(shè)計(jì)的濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)如下(單位均為mm)：w=2，w1=1，g1=0.4，ws=0.3，wc=0.2，ls=4，lc=7.5，k=5。由位于中心枝節(jié)上的三個(gè)p-i-n二極管開(kāi)關(guān)對(duì)濾波器進(jìn)行六個(gè)狀態(tài)的可重構(gòu)控制。由于其結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，因此可以依據(jù)奇偶模理論對(duì)其進(jìn)行分析。當(dāng)奇模被激勵(lì)時(shí)，對(duì)稱(chēng)面可看作電壁，此時(shí)諧振器中心相當(dāng)于短路；當(dāng)偶模被激勵(lì)時(shí)，對(duì)稱(chēng)面可看作磁壁，此時(shí)諧振器中心相當(dāng)于開(kāi)路。根據(jù)傳輸線(xiàn)理論，奇偶模的輸入阻抗可以獲得，進(jìn)一步可以推導(dǎo)得出奇偶模的主模諧振頻率fodd和feven如下：

(1)

(2)

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度；εr為等效的相對(duì)介電常數(shù)。從公式(1)和(2)中可以看出，奇偶模諧振頻率可以通過(guò)改變枝節(jié)的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)，且短枝節(jié)長(zhǎng)度對(duì)奇偶模諧振頻率均有影響，中心枝節(jié)長(zhǎng)度只影響偶模諧振頻率。因此，可按應(yīng)用頻段需求，根據(jù)公式(1)和(2)對(duì)濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)初值進(jìn)行估計(jì)。

圖1 可重構(gòu)濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Dimensions of the proposed filter

狀態(tài)S1S2S3頻率特性I關(guān)關(guān)-單帶通II關(guān)開(kāi)開(kāi)寬帶通III關(guān)開(kāi)關(guān)雙帶通IV開(kāi)關(guān)-單帶阻V開(kāi)開(kāi)開(kāi)寬帶阻VI開(kāi)開(kāi)關(guān)雙帶阻

本研究提出的可重構(gòu)微帶濾波器不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和頻率特性見(jiàn)表1。當(dāng)位于微帶主饋線(xiàn)上的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，從一個(gè)端口輸入的能量通過(guò)山形諧振器耦合進(jìn)一步傳輸至另一端口，濾波器具有帶通特性；當(dāng)位于微帶主饋線(xiàn)上的開(kāi)關(guān)閉合，從一個(gè)端口輸入的能量直接通過(guò)主饋線(xiàn)傳輸至另一端口，山形諧振器作為寄生單元耦合了大量能量而不能進(jìn)一步傳輸，使濾波器工作在帶阻狀態(tài)。

圖2 中心枝節(jié)長(zhǎng)度對(duì)狀態(tài)III濾波器性能的影響Fig.2 Influence of central stub length on filter performance at state III

圖3 中心枝節(jié)長(zhǎng)度對(duì)狀態(tài)VI濾波器性能的影響Fig.3 Influence of central stub length on filter performance at state VI

3 結(jié)語(yǔ)

本研究提出了一種基于集成耦合多模諧振器的可重構(gòu)濾波器。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的思想，具體設(shè)計(jì)了山形諧振器通過(guò)電磁耦合的方式集成于微帶饋線(xiàn)上，通過(guò)三個(gè)開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)了單帶通、寬帶通、雙帶通、單帶阻、寬帶阻和雙帶阻六種頻率性能重構(gòu)的濾波器，適用于具有動(dòng)態(tài)頻率需求的智能無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中。