基于MPCL結(jié)構(gòu)的小型化微帶帶通濾波器設(shè)計

鄭曉緣，雷 濤，向天宇，宋小偉

(貴州師范大學(xué) 大數(shù)據(jù)與計算機科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

具備高集成度和高選擇性的帶通濾波器是無線射頻通信前端的關(guān)鍵器件。近年來，大量的研究致力于提高濾波器的選擇特性和阻帶抑制能力[1-5]。其中，一種方式是通過增加傳統(tǒng)濾波器中耦合諧振器的階數(shù)，例如平行耦合結(jié)構(gòu)，發(fā)夾結(jié)構(gòu)，交指結(jié)構(gòu)和梳狀線結(jié)構(gòu)等[6]；另一種方式是引入交叉耦合結(jié)構(gòu)以獲得阻帶中的傳輸零點，例如級聯(lián)三胞(CT)結(jié)構(gòu)和級聯(lián)四胞(CQ)結(jié)構(gòu)[7]。但上述兩種方式都存在電路尺寸大，插入損耗高的缺點；第三種方式則使用雙?；蚨嗄ＶC振器，通過引入交叉耦合或源-負載耦合來增加有限個傳輸零點[8-11]，這種方式具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊和插入損耗低的優(yōu)點，但由于單階濾波器器件結(jié)構(gòu)的局限性，大多數(shù)此類濾波器阻帶抑制約為25 dB，難以滿足工程應(yīng)用需求。

對于多業(yè)務(wù)無線收發(fā)器中的濾波器設(shè)計，一般通過多對諧振器來實現(xiàn)多通帶響應(yīng)，因此整體電路尺寸相對較大[12-14]。在文獻[15]中提出了一款單環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，其利用自身存在的3對簡并模實現(xiàn)具有三通帶響應(yīng)的帶通濾波器設(shè)計，但該結(jié)構(gòu)仍未能克服尺寸較大的缺點。

綜上所述，本文提出了一種改進型平行耦合線(MPCL)結(jié)構(gòu)，利用等效電路模型和奇偶模原理對該結(jié)構(gòu)進行了詳細分析，并基于MPCL結(jié)構(gòu)設(shè)計了兩款結(jié)構(gòu)新穎且具有高選擇性的小型化微帶帶通濾波器。其中，第一款濾波器通過半波長開路諧振器的基模和高階模實現(xiàn)了三通帶響應(yīng)，并在通帶附近產(chǎn)生7個傳輸零點，顯著提高了每個通帶的帶外選擇特性；第二款濾波器利用三階諧振器實現(xiàn)模式間的交叉耦合，分別于上下阻帶各產(chǎn)生1個傳輸零點，進一步提高了該濾波器的選擇性和阻帶抑制度，具有良好的應(yīng)用前景。

1 MPCL結(jié)構(gòu)特性分析

MPCL的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，主要由1個半波長開路諧振器和2條連接到50 Ω輸入/輸出(I/O)饋線的開路微帶線組成。濾波器的等效電路如圖1(b)所示，其中V1，V2…，V6，I1，I2…，I6為對應(yīng)端口的電壓和電流。通過等效電路模型可研究MPCL結(jié)構(gòu)的濾波特性，其終端條件滿足下式：

圖1 (a) MPCL-物理結(jié)構(gòu) (b)MPCL-等效電路模型Fig.1 (a) The schematic of the MPCL and (b)The equivalent circuit model for the MPCL

I2=0,I4=0,I5=0,I6=0

(1)

圖2為傳輸帶線電路模型在不同耦合間隙S1下的頻率響應(yīng)。由圖可知，通帶中僅存在1個諧振頻率，帶寬由耦合間隙決定，間隙越小則帶寬越大。其中，下阻帶中的傳輸零點由I/O饋線連接的2條開路微帶線之間進行交叉耦合產(chǎn)生[16]。

圖2 不同耦合間隙S1下的頻率響應(yīng)特性曲線Fig.2 Simulated frequency responses of transmission line circuit model against different coupling space S1

由于本文所提濾波器結(jié)構(gòu)對稱，故采用奇偶模原理來進一步分析產(chǎn)生傳輸零點的原因。圖3(a)和圖3(b)對應(yīng)了奇模和偶模的等效電路模型，其中，θ1、Z1分別表示微帶線的電長度和特征阻抗，而Z0o、Z0e、θ0則分別表示耦合線的奇模和偶模的阻抗和電長度。假設(shè)θ0=θ1=θ，則奇偶模所激勵的輸入阻抗可分別簡化為[17]：

圖3 (a)奇模等效電路模型 (b)偶模等效電路模型Fig.3 (a) Odd-mode equivalent circuit and (b)Even-mode equivalent circuit

(2)

(3)

濾波器阻帶中的零點可通過Zine=Zino來確定。 因此，可以計算出傳輸零點位置：

n= 0,1, 2, 3…

(4)

n= 0,1, 2, 3…

(5)

其中，f0是當θ=π/2時基模的諧振頻率。在高階模式(2nf0，2(n+1)f0)中，每個頻率范圍內(nèi)都可產(chǎn)生2個傳輸零點，大大提高了每個通帶的選擇性。

2 基于MPCL的三通帶濾波器設(shè)計

基于上述分析，本文選擇半波長開路諧振器作為基本結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款三通帶濾波器，整體物理結(jié)構(gòu)如圖4所示。利用半波長開路諧振器的基模和高階?？僧a(chǎn)生多個通帶，其中心頻率分別位于f0，3f0，5f0，…(2n+1)f0，帶寬主要由耦合間隙S1決定，且在每個頻率范圍(2nf0，2(n+1)f0)中，都有1對傳輸零點位于相應(yīng)通帶的兩側(cè)，以提高帶內(nèi)外選擇性能。利用公式(4)和(5)可計算得到傳輸零點的位置。

圖4 三通帶濾波器物理幾何結(jié)構(gòu)Fig.4 Layout of the tri-band BPF

經(jīng)初步仿真表明，該三通帶濾波器工作頻率在3.5 GHz、10.5 GHz和17.5 GHz，其分數(shù)帶寬分別為：45.7%、15.4%和9.3%。其中，微帶線長度由L1=L2=λg/4確定，λg為第一個通帶中心頻率處的波導(dǎo)波長。該濾波器介質(zhì)基板材料為RT/D 5 880，厚度為0.508 mm，相對介電常數(shù)為εr=2.2。濾波器的初始幾何參數(shù)為：W1=0.2 mm，W2=0.4 mm，S1=0.2 mm，W3=1.52 mm(50歐姆I/O饋線阻抗匹配)。因此，可計算得出相應(yīng)的阻抗值Z0o=67.8 Ω，Z0e=176.6 Ω，Z1=128.7 Ω。最后，根據(jù)式(4)和(5)，零點的頻率位置計算如下：

fz11=0.51f0，fz21=1.49f0，fz12=2.51f0

fz22=3.49f0，fz13=4.51f0，fz23=5.49f0

本文利用ADS電磁仿真軟件針對濾波器的幾何尺寸對通帶頻率和帶寬的影響進行了優(yōu)化仿真。如圖5(a)所示，隨著長度L1的增加，3個通帶的中心頻率均向低頻偏移。從圖5(b)可看出，耦合間隙對3個通帶的帶寬均存在影響。在圖5(C)中，調(diào)節(jié)長度L2，第一通帶帶寬保持不變，第二通帶和第三通帶的帶寬隨著其增加而減小。

圖5 (a) (b) (c)分別為L1，S1，L2對|S21|的影響Fig.5 (a)Simulated insertion loss at variousL1，(b)S1and (c)L2

經(jīng)優(yōu)化得到最佳尺寸參數(shù)如下：L1=16.8 mm，L2=14.9 mm，W1=0.2 mm，W2=0.4 mm，S1=0.14 mm。加工后的濾波器實物如圖6所示。濾波器尺寸為33.2 mm×1.08 mm，相對尺寸為0.48λg×0.013λg。從圖7中可看出，3個通帶的中心頻率分別位于3.5 GHz、10.5 GHz和17.2 GHz，相對帶寬分別為45.7%、15.4%和9.3%，最小插入損耗為0.3 dB，回波損耗均小于-18 dB，共產(chǎn)生7個傳輸零點，顯著提高了濾波器的帶外選擇特性。表1給出了本設(shè)計與其他文獻的三通帶濾波器的對比結(jié)果，體現(xiàn)了該濾波器結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊，選擇性更高的優(yōu)勢，其缺點是3個通帶的中心頻率不能獨立調(diào)諧。

圖6 三通帶濾波器實物圖Fig.6 Photograph of the tri-band BPF

圖7 三通帶濾波器的仿真和測試結(jié)果Fig.7 Simulated，measured S-parameters of the proposed tri-band BPF

表1 本設(shè)計同其他文獻的三通帶濾波器的對比Tab.1 Comparison with other reported tri-band BPFs

3 基于MPCL的3階帶通濾波器設(shè)計

基于上述第一款濾波器的設(shè)計原理，為了進一步改善濾波器的選擇特性和阻帶抑制度，通過增加諧振器的階數(shù)，實現(xiàn)了上下阻帶分別引入1個傳輸零點的3階帶通濾波器。圖8給出了該濾波器的物理結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與梳狀線濾波器類似，3個相同長度的微帶線作為半波長開路諧振器，通過交叉耦合于通帶兩側(cè)成功引入了1對傳輸零點，顯著提高了通帶的選擇特性和帶外抑制度。

圖8 三階帶通濾波器物理結(jié)構(gòu)Fig.8 Layout of the three-order BPF

如圖9所示，濾波器在弱耦合條件下的傳輸響應(yīng)表明，通帶中產(chǎn)生了3個諧振頻率(f1，f2，f3)，分別對應(yīng)了3個諧振器的諧振模式。通過改變參數(shù)L2和L3，可靈活控制通帶的中心頻率。在圖10(a)中，帶寬主要與耦合間隙S1有關(guān)，S1越小，帶寬也就越寬。圖10(b)證實了隨著耦合間隙S2的增大，帶內(nèi)回波損耗逐漸減小，而帶寬保持不變。

圖10 (a) (b) 分別為參數(shù)S1和S2的濾波器頻率響應(yīng)S曲線圖Fig.10 (a)Simulated S-parameters at variousS1and(b)S2

總結(jié)該濾波器設(shè)計主要包括3個步驟：首先，由中心頻率確定帶線諧振器L2和L3的長度；其次，調(diào)節(jié)S1實現(xiàn)預(yù)期的帶寬；最后，通過優(yōu)化參數(shù)S2以降低帶內(nèi)回波損耗。

表2 本設(shè)計同其他文獻的帶通濾波器的對比Tab.2 Comparison with other reported BPF

經(jīng)優(yōu)化得到最終尺寸參數(shù)如下：L1=10.2 mm，L2=19.2 mm，L3=19.2 mm，L4=5.8 mm，L5=3.2 mm，W1=0.2 mm，W2=0.4 mm，W3=0.4 mm，S1=1.2 mm，S2=0.45 mm。該濾波器實物如圖11所示，其物理尺寸為25 mm×4.9 mm，相對尺寸為0.66λg×0.13λg，其中λg為5.8 GHz處的波導(dǎo)波長。從圖 12 中可看出， 測試結(jié)果和仿真結(jié)果相吻合，通帶的中心頻率為5.8 GHz，F(xiàn)BW約為6.9%，最小插入損耗為1.3 dB，回波損耗低于-20 dB。通帶兩側(cè)3.4 GHz和7.1 GHz處各引入了1個傳輸零點，通帶選擇性得到進一步提高，且阻帶抑制度優(yōu)于50 dB。

圖11 3階帶通濾波器實物圖Fig.11 Photograph of the three-order BPF

圖12 帶通濾波器性能仿真及測試結(jié)果Fig.12 Simulated and measured BPF performances

4 結(jié)論

本文提出了2款基于改進型MPCL結(jié)構(gòu)的小型化微帶帶通濾波器。對于第一款濾波器，可有效控制3個通帶的中心頻率和帶寬，7個傳輸零點顯著提高了帶外選擇性。對于第二款濾波器，通過3階帶線諧振器交叉耦合在通帶兩側(cè)各引入了1個傳輸零點，在提高帶外選擇性的同時實現(xiàn)了高阻帶抑制。本文所設(shè)計的2款濾波器均具有插損低，頻率選擇性好和阻帶抑制度高的優(yōu)勢，且結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，能有效適應(yīng)無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求。