加載3 種枝節(jié)的小型化寬帶帶通濾波器

劉新月 ，馮立營 ，馬尚剛

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津 300222；3.天津匯訊視通科技有限公司，天津 300384）

2017 年11 月10 日，工業(yè)和信息化部發(fā)布了5G系統(tǒng)在3 000～5 000 MHz 頻段（中頻段）內(nèi)的頻率使用規(guī)劃，明確了3 300～3 400 MHz（原則上限室內(nèi)使用）、3 400～3 600 MHz 和 4 800～5 000 MHz 頻 段 作 為 5G系統(tǒng)的工作頻段[1]。微帶濾波器是無線通信中的一種關(guān)鍵無源器件，小型化寬帶帶通濾波器在5G 頻段的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的應(yīng)用需求也越來越大。雙模諧振器[2]可產(chǎn)生2 種諧振模式，因此由其構(gòu)造的濾波器固有階數(shù)可減少1/2，這樣能減小尺寸，使結(jié)構(gòu)緊湊。傳統(tǒng)的環(huán)形雙模帶通濾波器經(jīng)常用于窄帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)，帶寬一般在1%～5%[3-4]。當(dāng)前雙模諧振器以其高選擇性、低插入損耗和小型化等優(yōu)勢(shì)用于寬帶帶通濾波器設(shè)計(jì)的情況逐漸增多[5-8]。文獻(xiàn)[9]提出的基于雙模環(huán)狀的濾波器具有低插入損耗、高選擇性的優(yōu)點(diǎn)，但該濾波器的尺寸相對(duì)較大。文獻(xiàn)[10]提出的具有可調(diào)節(jié)枝節(jié)的寬帶雙模濾波器在彎曲環(huán)形雙模帶阻濾波器內(nèi)部加載了枝節(jié)，減小了濾波器的面積，但帶寬較小。本文研究一種加載3 種枝節(jié)的小型化寬帶帶通濾波器，通過加載電容電感枝節(jié)，減小了濾波器的尺寸。在濾波器的輸入輸出端口正對(duì)的位置加載2 個(gè)1/4 波長(zhǎng)開路枝節(jié)時(shí)，濾波器呈現(xiàn)出寬通帶和高抑制阻帶的性能。

1 電容加載雙模方形諧振器

圖1 給出了在傳統(tǒng)方形諧振器中加載電容的諧振器結(jié)構(gòu)。

圖1 電容加載雙模方形諧振器

該諧振器是在雙模方形環(huán)狀諧振器的4 個(gè)外角上分別加載4 個(gè)直角開路枝節(jié)微帶線。外角的枝節(jié)微帶線的2 條棱相互垂直，分別與方形環(huán)的2 條邊平行。為了更好地實(shí)現(xiàn)諧振器的頻率選擇性，對(duì)外部枝節(jié)的4 個(gè)角進(jìn)行切割。這4 個(gè)加載枝節(jié)微帶線采用金屬材料，并與地板連在一起，起到了電容的作用，相當(dāng)于在諧振環(huán)的4 個(gè)角上分別加了一個(gè)電容[11]。電容的加入可以降低諧振器的中心頻率，從而實(shí)現(xiàn)小型化，還可以提高頻率選擇性，減少寄生通帶。電容加載諧振器等效電路[12]如圖2 所示。

圖2 中等效電路分為輸入和輸出端口，形成了V分流電路，分別用上下兩部分并聯(lián)電路表示。圖中：Z0為方形諧振器的微帶線的特性阻抗；2θ0為每個(gè)邊長(zhǎng)的電長(zhǎng)度；CT為方形諧振器外角加載的微帶線的電容值。為了便于分析，上下部分并聯(lián)電路的CT根據(jù)對(duì)稱軸表示為CT/2+CT/2。由于等效電路具有對(duì)稱性，因此采用奇偶模方法進(jìn)行分析。

把電容加載諧振器等效電路中的地連接在一起，可得到2 個(gè)上下并聯(lián)的閉合電路。在偶模激勵(lì)下，對(duì)稱面A-A′電流值為0，等效為開路。偶模等效電路如圖 2（b）所示，輸入導(dǎo)納為

在奇模激勵(lì)下，對(duì)稱面A-A′電壓值為0，等效為短路，奇模等效電路如圖2（c）所示，輸入導(dǎo)納為

當(dāng)2 條輸入輸出饋線以正交的形式直接連接到電容加載的微帶雙模方形諧振器2 個(gè)相鄰邊的中心時(shí)，該諧振器具有帶阻特性[10]。

圖2 電容加載諧振器等效電路

為了測(cè)試方便，輸入輸出采用50 Ω 饋線。該濾波器采用微帶介質(zhì)材料Taconic RF60A，其介電常數(shù)為6.15，厚度H 為0.64 mm，經(jīng)過優(yōu)化，確定濾波器的尺寸為：L1=7.52 mm，L2= 4.68 mm，W1= 0.93 mm，W2=0.68 mm，W3=0.38 mm。利用仿真軟件Ansoft HFSS 對(duì)該諧振器的工作性能進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3 可以看出，該諧振器具有帶阻特性，中心頻率為5.14 GHz，衰減為-24 dB。

圖3 電容加載雙模方形諧振器的帶阻特性

2 電感電容加載雙模方形諧振器

為進(jìn)一步減小諧振器的尺寸，提高頻率選擇性，本文設(shè)計(jì)了電感電容加載雙模方形諧振器，如圖4 所示。由圖1 可以發(fā)現(xiàn)方形環(huán)內(nèi)有一些閑置的空間，所以本文在方形環(huán)內(nèi)部加載了4 個(gè)三角環(huán)枝節(jié)。在電容加載的方形環(huán)的4 個(gè)邊的中心分別開1 個(gè)口，開口處連接4 個(gè)臂，每個(gè)臂由1 個(gè)開口三角環(huán)組成。方形環(huán)內(nèi)部排列的4 個(gè)三角環(huán)枝節(jié)，增加了諧振器的波導(dǎo)波長(zhǎng)，降低了諧振頻率，從而減小了濾波器的尺寸。輸入輸出饋線連接到內(nèi)部的三角環(huán)內(nèi)，因此相比于單獨(dú)電容加載諧振器，尺寸減小了。在方形環(huán)右上角加載一個(gè)方形微擾[12]，微擾不僅對(duì)簡(jiǎn)并模式起到激發(fā)的作用，而且還可以加寬阻帶。利用仿真軟件Ansoft HFSS 對(duì)電感電容加載雙模方形諧振器的工作性能進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖4 電容電感加載雙模諧振器

圖5 電容電感加載雙模諧振器的帶阻特性

從圖5 可以看出，在相同尺寸下，基于電感電容加載方形諧振器的帶阻濾波器中心頻率為3.48 GHz，而基于電容加載方形諧振器的帶阻濾波器中心頻率為5.14 GHz。因此，電容加載的方形環(huán)內(nèi)加載4 個(gè)三角環(huán)枝節(jié)后，在相同的中心頻率下，濾波器的尺寸減小了。

3 加載3 種枝節(jié)的雙模寬帶帶通濾波器

3 種枝節(jié)加載的雙模寬帶濾波器如圖6 所示。該濾波器基于以上所述的電感電容加載的雙模方形環(huán)帶阻濾波器，在帶阻濾波器的輸入輸出饋線的正對(duì)面分別連接第3 種枝節(jié)——2 個(gè)開路枝節(jié)。開路枝節(jié)的長(zhǎng)度為1/4 λg，其中λg為濾波器中心頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)[14-15]。每個(gè)開路枝節(jié)由2 個(gè)相互垂直的微帶線連接組成，其中一條微帶線垂直連接到方形環(huán)內(nèi)部三角的中心處。經(jīng)仿真計(jì)算L3=10.1 mm，W5=0.2 mm。

圖6 3 種枝節(jié)加載的雙模寬帶濾波器

為了確定加載的三角環(huán)的尺寸，分析2 個(gè)相對(duì)三角環(huán)頂角之間的距離對(duì)濾波器頻率響應(yīng)的影響。L4的大小直接影響三角環(huán)的長(zhǎng)度，L4越小，三角環(huán)的長(zhǎng)度越大。圖7 為隨著L4的變化，濾波器的S21參數(shù)頻率特性曲線。圖7 中虛點(diǎn)相間線、虛線和實(shí)線分別為C1=0.8 mm、1 mm、1.2 mm 對(duì)應(yīng)的 S21參數(shù)曲線。從圖 7 可以看出，隨著L4的減小，濾波器的中心頻率也會(huì)減小。所以L4的大小可以調(diào)節(jié)濾波器的中心頻率。

圖7 濾波器不同L4 的仿真頻率響應(yīng)

本文提出的3 種枝節(jié)加載的雙模寬帶濾波器頻率響應(yīng)曲線如圖8 所示。該濾波器呈現(xiàn)出帶通特性，中心頻率為3.48 GHz，該頻率在5G 移動(dòng)通信頻段范圍可以為5G 頻段發(fā)射機(jī)和接收機(jī)提供濾波功能，并可以調(diào)整尺寸適用于其他頻段。在濾波器中心頻率附近的3 dB 帶寬為52%，濾波器的插入損耗為0.2 dB，回波損耗最大為-37 dB。在阻帶范圍存在4 個(gè)傳輸零點(diǎn)，分別在 2.1 GHz、2.55 GHz、4.25 GHz 和 4.8 GHz處，衰減分別為 -35 dB、-30 dB、-30 dB 和-40 dB，對(duì)阻帶有很強(qiáng)的抑制作用[16]。實(shí)物濾波器的尺寸為9.78 mm×9.78 mm，換算成中心頻率3.48 GHz 的電尺寸為（0.236 × 0.236）λg2，其中 λg為 50 Ω 微帶線在中心頻率處的波導(dǎo)波長(zhǎng)。

圖8 加載3 種枝節(jié)的雙模寬帶濾波器頻率響應(yīng)曲線

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種加載3 種枝節(jié)的小型化雙模寬帶帶通濾波器，該濾波器方形環(huán)外角加載的4 個(gè)開路枝節(jié)增加了濾波器的電容，內(nèi)部加載的短路三角環(huán)增加了濾波器的電感，當(dāng)輸入輸出饋線以正交的形式直接連接到相鄰的兩邊上時(shí)，濾波器呈現(xiàn)帶阻特性。在帶阻濾波器的輸入輸出饋線的正對(duì)面分別連接2 個(gè)長(zhǎng)度為1/4 λg開路枝節(jié)，濾波器實(shí)現(xiàn)了寬帶設(shè)計(jì)。電容和電感的加載實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化和高選擇性能，調(diào)節(jié)內(nèi)部相對(duì)三角環(huán)頂角之間的距離，可以改變?yōu)V波器的中心頻率。