基于1/4步階阻抗諧振器設(shè)計(jì)之微小化寬帶帶通濾波器設(shè)計(jì)

摘要：本文提出了一種微小化寬帶帶通濾波器。該濾波器由兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)的步階阻抗諧振器混合耦合組成， 可以實(shí)現(xiàn)中心頻率為2.2 GHz，具有1.5～2.9 GHz的通帶和64%的帶寬。 為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論，制造并量測(cè)濾波器，從量測(cè)結(jié)果看，通帶內(nèi)插入損耗為S21=-1.5 dB，回波損耗均大于-10 dB，通帶群延遲在0.01～0.15內(nèi)。在頻帶上邊4.2 GHz的地方出現(xiàn)傳輸零點(diǎn)，提高了濾波器的選擇性，整個(gè)電路尺寸約為 21 mm×5 mm，即 0.25 λg×0.06 λg，λg是2 GHz的波導(dǎo)波長(zhǎng)，同時(shí)測(cè)量結(jié)果也顯示出與模擬結(jié)果的良好一致性。

關(guān)鍵詞：帶通濾波器;寬帶;四分之一波長(zhǎng);步階阻抗諧振器

中圖分類號(hào)：TN713

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

從20世界90年代開(kāi)始至今，無(wú)線通信系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，同時(shí)用于通信系統(tǒng)的頻譜資源也越來(lái)越緊缺，如何充分利用頻率資源已成為研究的熱點(diǎn)。良好的帶通濾波器可以有效的利用頻譜資源。由于低功耗和高數(shù)據(jù)傳輸率的優(yōu)點(diǎn)，寬帶濾波器設(shè)計(jì)引起了廣大學(xué)者的極大興趣，同時(shí)在過(guò)去20年學(xué)術(shù)界和工業(yè)界發(fā)表了許多重要研究成果。

過(guò)去，有學(xué)者已經(jīng)提出了幾種達(dá)到寬帶濾波器要求的諧振器結(jié)構(gòu)，例如使用多模諧振器（multi￣mode，MMR）、步階阻抗諧振器（step impedance resonator，SIR）或缺陷接地結(jié)構(gòu)（defected ground structure，DGS）。LAN等[1]學(xué)者利用模激諧振器研制了具有極寬阻帶的超寬頻帶帶通濾波器。SANDIP等[2]設(shè)計(jì)了c形和e形兩種不同類型的帶隙諧振腔，從而實(shí)現(xiàn)了具有良好選擇性的超寬帶帶通濾波器。LIU[3]等學(xué)者在設(shè)計(jì)超寬帶設(shè)計(jì)中使用了缺陷接地結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)往往會(huì)破壞信號(hào)的完整性。 LI[4]使用不同的開(kāi)/短路的載片諧振器設(shè)計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)具有阻帶的超寬帶帶通濾波器。DILIP等[5]提出了一種基于分裂環(huán)和矩形短截的寬帶帶通濾波器。但是，帶寬不夠大，沒(méi)有提供阻帶。JI等[6]提出了一種采用多層結(jié)構(gòu)的寬帶帶通濾波器，但設(shè)計(jì)過(guò)程和器件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 LI[7] 利用復(fù)合串聯(lián)諧振器和并聯(lián)諧振器，直接設(shè)計(jì)了寬帶BPF。MUSAB[8]利用波導(dǎo)腔內(nèi)的多模分裂環(huán)形諧振器實(shí)現(xiàn)了寬帶BPF。然后設(shè)計(jì)寬帶濾波器而不使用復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的頻帶選擇性和微小化尺寸仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

本文提出的濾波器由兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)的步階阻抗諧振器組成，按照混合耦合的方式排列，輸入輸出端由直接饋入以提供足夠的耦合能量組成， 結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)中心頻率為2.2 GHz，具有1.5～2.9 GHz的通帶。 為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論，我們制造并量測(cè)濾波器，體積上實(shí)現(xiàn)了微小化，仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果大致上具有良好一致性。

1四分之一波長(zhǎng)SIR設(shè)計(jì)

本文中的濾波器具有簡(jiǎn)單的混合耦合結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)的步階阻抗諧振器組成。用FR4基板設(shè)計(jì)和制造帶通濾波器，其厚度（h）為08 mm，介電常數(shù)（εr）為4.4，損耗角正切（tanδ）為0.02。該濾波器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1四分之一波長(zhǎng)步階阻抗諧振器諧振分析

步階阻抗諧振器可以通過(guò)確定阻抗比（K）和電子長(zhǎng)度比（α）來(lái)有效地移動(dòng)更高階的諧振模式。通過(guò)這種方法來(lái)確定SIR的諧振頻率，可以很方便地實(shí)現(xiàn)具有寬阻帶或多通帶的帶通濾波器。本文中，濾波器設(shè)計(jì)為f0 =2.2 GHz，并具有非常寬的阻帶。阻抗比（K）的值對(duì)于SIR1是0.85，對(duì)于SIR2是0.55。 因此，SIR的虛假響應(yīng)應(yīng)該是分散的。 如果寄生頻率彼此閉合，則難以抑制寄生響應(yīng)。SIR 1和SIR 2的基頻位于2.2 GHz，通過(guò)控制SIR的尺寸可以阻止寄生頻率。 因此，SIR1高阻抗部分（Z1 =100 Ω）的物理寬度和長(zhǎng)度（Z1 =100 Ω）為0.35 mm（W1）和10 mm（L1），低阻抗部分（Z2 =85 Ω）的物理寬度和長(zhǎng)度為0.53 mm（W2）和10 mm（L2）;SIR2高阻抗部分（Z1 =100 Ω）的物理寬度和長(zhǎng)度（Z1 =100 Ω）為0.35 mm（W3）和10 mm（L3），低阻抗部分（Z2 =55 Ω）的物理寬度和長(zhǎng)度為1.29 mm （W4）和10 mm（L4）。

1.2濾波器設(shè)計(jì)

基于四分之一波長(zhǎng)的階梯阻抗諧振器的特性，選擇兩個(gè)較低諧振模式，然后通過(guò)仔細(xì)布置I/O端口耦合諧振模式，可以容易地實(shí)現(xiàn)寬帶通響應(yīng)。這兩個(gè)濾波器的基頻工作頻率為2.2 GHz。 當(dāng)傳輸零點(diǎn)發(fā)生時(shí)，只有SIR1或SIR2共振并吸收大部分電流強(qiáng)度。

選擇合適的耦合間隙（g）以滿足通帶處的特定耦合系數(shù)。從圖3中可以看出，當(dāng)耦合間隙（g）減小時(shí)，耦合系數(shù)增加，即兩個(gè)諧振器之間的耦合能量得到增強(qiáng)，回波損耗也得到更好。圖4為不同g下通過(guò)IE3D仿真出來(lái)的S參數(shù)較圖。從圖4中可以看出隨著g變大，中心頻率往高頻移動(dòng)，同時(shí)帶寬越來(lái)越小。結(jié)合圖3和圖4，又由于本實(shí)驗(yàn)室的雕刻機(jī)最小雕刻距離為0.15 mm，因此根據(jù)耦合系數(shù)的要求選擇g = 0.15 mm。

2測(cè)試及結(jié)果

所設(shè)計(jì)的帶通濾波器用雕刻機(jī)制造，并由HP8510C網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量。 制造的濾波器的照片如圖4所示。圖5 本研究所制作的濾波器（a） 通帶測(cè)試結(jié)果 與（ b） 通帶群時(shí)延。正如設(shè)計(jì)概念，所提出的帶通濾波器的測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)出很高的性能，包括：中心頻率為2.2 GHz，具有1.5～2.9 GHz的通帶，即是帶寬比（fractional bandwidth，F(xiàn)BW）為64%。通帶內(nèi)插入損耗為S21=-1.5 dB，回波損耗均大于-10 dB，通帶群延遲在0.15 ns內(nèi)。在頻帶上邊4.2 GHz的地方出現(xiàn)傳輸零點(diǎn)，提高了濾波器的選擇性，整個(gè)電路尺寸約為21 mm×5 mm，即025 λg×006 λg，λg是2 GHz的波導(dǎo)波長(zhǎng)。雖然測(cè)量結(jié)果在高頻段表現(xiàn)出一些不同的模擬結(jié)果，可以認(rèn)為是制造誤差，但所提出的帶通濾波器仍然表現(xiàn)出良好的寬帶阻帶響應(yīng)性能。 該濾波器具有簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，緊湊的尺寸和出色的性能，因此所提出的濾波器對(duì)于現(xiàn)代寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)非常有用。

3結(jié)論

在本文中，制作了一個(gè)新型微小化寬帶帶通濾波器，提出的濾波器僅使用具有簡(jiǎn)單混合耦合結(jié)構(gòu)的兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)階梯阻抗諧振器。該濾波器實(shí)現(xiàn)了中心頻率為2.2 GHz，具有1.5～2.9 G Hz的通帶，帶寬比為64%， 通帶內(nèi)插入損耗為S21=-1.5 dB，回波損耗均大于-10 dB，通帶群延遲在0.15 ns內(nèi)。測(cè)量結(jié)果顯示出良好的性能并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)概念。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）