小型化雙枝節(jié)加載級聯(lián)寬帶濾波器設(shè)計(jì)

(南京信息工程大學(xué)電子信息技術(shù)與裝備研究院,江蘇南京 210044)

濾波器作為射頻收發(fā)組件的關(guān)鍵器件之一,所發(fā)揮的作用十分重要。小型化已成為當(dāng)前濾波器設(shè)計(jì)中必須考慮的指標(biāo)。再者,有限的頻譜資源和互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的巨量高速信息流也要求濾波器具有更高的頻率選擇性和更大的帶寬。

多模諧振濾波器因尺寸小、損耗低、易實(shí)現(xiàn)大帶寬等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[1-6],基于低溫共燒陶瓷(LTCC)和液晶聚合物(LCP)的新型技術(shù)也使得多模諧振濾波器更具吸引力[7-8]。但利用多模諧振濾波器實(shí)現(xiàn)高頻率選擇性和大帶寬的同時(shí),如何兼顧小型化,還需要進(jìn)一步研究。

濾波器實(shí)現(xiàn)高頻率選擇性通常有三種方法[9]:增加濾波器級數(shù)、設(shè)計(jì)橢圓函數(shù)型濾波器以及引入傳輸零點(diǎn)。引入傳輸零點(diǎn)雖然能有效提高頻率選擇性,但還需要增加濾波器級數(shù)來進(jìn)一步提高帶外衰減,這意味著濾波器尺寸將會變大。文獻(xiàn)[1]提出了一種有效尺寸為13.7 mm×5.35 mm(0.56λg×0.22λg)的兩級級聯(lián)工字型諧振器,結(jié)構(gòu)簡單,便于設(shè)計(jì),上下阻帶抑制度分別大于30 dB 和46 dB。Chen 等[10]基于多模諧振濾波器設(shè)計(jì)了一種有效尺寸為19.6 mm×11.7 mm的兩級級聯(lián)三通帶濾波器,帶外抑制為20～30 dB。Hsieh 等[11]分別設(shè)計(jì)了三級級聯(lián)和五級級聯(lián)的雙通帶濾波器,前者有效尺寸約25 mm×8 mm,第一通帶帶外抑制約25 dB@500 MHz,后者有效尺寸約40 mm×8 mm,第一通帶帶外抑制約48 dB@500 MHz。

與現(xiàn)有多為對稱結(jié)構(gòu)的多模諧振器濾波器研究工作不同,本文對非對稱多模諧振濾波器的級聯(lián)特性進(jìn)行研究,提出一種結(jié)構(gòu)緊湊、具有兩個(gè)可調(diào)零點(diǎn)的易級聯(lián)多模諧振濾波器。通過引入多模實(shí)現(xiàn)寬帶,通過引入兩個(gè)可調(diào)零點(diǎn)和濾波器級聯(lián)實(shí)現(xiàn)高頻率選擇性。同時(shí)由于單個(gè)諧振濾波器的結(jié)構(gòu)十分緊湊,使得多級級聯(lián)仍具有小尺寸優(yōu)勢,適用于對尺寸、頻率選擇性要求較高的寬帶系統(tǒng),如移動(dòng)通信系統(tǒng)、固態(tài)雷達(dá)收發(fā)機(jī)等。

1 單個(gè)諧振器結(jié)構(gòu)

在濾波器結(jié)構(gòu)中,發(fā)夾濾波器具有結(jié)構(gòu)緊湊、易級聯(lián)的特點(diǎn)。在發(fā)夾濾波器內(nèi)部空白處,加載兩條開路枝節(jié),形成如圖1 所示的諧振器結(jié)構(gòu)。這與Chen等[10]和Hsieh 等[11]提出的結(jié)構(gòu)不同,本文諧振濾波器為非對稱結(jié)構(gòu)?；谄媾寄＠碚摲治鲚^為復(fù)雜,這里采用微波網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)分析方法[12]。圖1 可以等效為7 段微帶線級聯(lián),將各段微帶線的ABCD 矩陣相乘便是單個(gè)諧振器的ABCD 矩陣。

圖1 單個(gè)諧振器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of single resonator

微波波段,θ2,θ4,θ6相對較小,做近似忽略,同時(shí)假設(shè)微帶線無耗,忽略微帶線開路所帶來的尺寸誤差[13]。經(jīng)對上述結(jié)構(gòu)的級聯(lián)推導(dǎo)得到單個(gè)諧振器的ABCD 矩陣為:

式中:Yi為對應(yīng)微帶線的導(dǎo)納。

通過矩陣轉(zhuǎn)換,可以把式(1)的ABCD 矩陣轉(zhuǎn)換為Z矩陣、Y矩陣和S矩陣等參數(shù)。

2 多模諧振濾波器級聯(lián)分析與設(shè)計(jì)

在圖1 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入耦合饋電電路,便形成如圖2 所示的單級諧振濾波器。作為應(yīng)用實(shí)例,這里仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)一個(gè)單級諧振濾波器。介質(zhì)基板選用厚度為0.254 mm 的Rogers 4350B,中心頻率為6 GHz,帶寬要求大于2 GHz。根據(jù)式(1)可以確定單級諧振濾波器的零極點(diǎn)分布及零極點(diǎn)變化趨勢。經(jīng)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)得到滿足上述要求的單級諧振濾波器參數(shù),如表1所示。

圖3 為弱耦合情況下單級諧振濾波器的零極點(diǎn)分布。由圖3 可知,單級諧振濾波器存在兩個(gè)零點(diǎn)(fz1,fz2)和三個(gè)極點(diǎn)(f1,f2,f3)。

圖4 為零點(diǎn)隨θ3、θ5的變化。由圖4 可知,fz1和fz2為兩個(gè)相互獨(dú)立的零點(diǎn),零點(diǎn)fz1由θ5產(chǎn)生,僅和θ5有關(guān);零點(diǎn)fz2由θ3產(chǎn)生,僅和θ3有關(guān)。

圖2 單級諧振濾波器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of single-stage resonant filter

表1 單級諧振濾波器參數(shù)Tab.1 Parameters of single-stage resonant filter

圖3 弱耦合下單級諧振濾波器零極點(diǎn)分布Fig.3 Zeros and poles distribution of weakly coupled on single-stage resonant filter

圖4 零點(diǎn)隨θ3、 θ5的變化Fig.4 Zeros change along with θ3, θ5

圖5 為極點(diǎn)隨θ1、θ3、θ5的變化。由圖5 可知,三個(gè)極點(diǎn)由θ1、θ3、θ5產(chǎn)生。θ1對所有極點(diǎn)均有影響,對極點(diǎn)f2、f3影響較大。而θ3和θ5對極點(diǎn)f1、f3雖然都有影響,但θ5的影響更強(qiáng)。

圖5 極點(diǎn)隨θ1、 θ3、 θ5的變化Fig.5 Poles change along with θ1, θ3, θ5

基于上述單級諧振濾波器的零極點(diǎn)變化規(guī)律和特點(diǎn),分別設(shè)計(jì)了兩級諧振濾波器和三級諧振濾波器?？紤]到便于加工,本文不使用基板過孔工藝,同時(shí)為減小平面尺寸,設(shè)計(jì)采用傳輸線彎折結(jié)構(gòu)。這樣彎折后濾波器與傳統(tǒng)發(fā)夾諧振濾波器十分相似,可以方便地采用電耦合、磁耦合、電磁耦合以及混合耦合等級聯(lián)方式。這里采用電磁耦合級聯(lián)來設(shè)計(jì)兩級諧振濾波器和三級諧振濾波器。圖6 給出了兩級諧振濾波器和三級諧振濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。表2 給出了兩個(gè)濾波器經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的各尺寸參數(shù)。

圖6 兩級和三級諧振濾波器結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of two-stage and three-stage resonant filter

表2 兩級和三級諧振濾波器參數(shù)Tab.2 Parameters of two-stage and three-stage resonant filter

圖7 和表3 分別給出了同樣帶寬要求下,三種多模諧振濾波器的帶外抑制特性及相關(guān)參數(shù)對比。對比三種多模諧振濾波器,可以發(fā)現(xiàn),隨著級聯(lián)個(gè)數(shù)增加,濾波器頻率選擇性明顯增強(qiáng),但相應(yīng)地?fù)p耗也在增加。另外,由于結(jié)構(gòu)緊湊,即使三級級聯(lián),尺寸也相對較小。

圖7 級聯(lián)對帶外抑制的影響Fig.7 Effect of cascade on out-of-band inhibition

表3 單級、兩級、三級諧振濾波器性能對比Tab.3 Performance comparison of single-stage,two-stage and three-stage resonant filter

如果需要更高的帶外抑制性能,可以使用更多級數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。需要注意的是,當(dāng)濾波器級數(shù)超過三級,各微帶線阻抗將會更大,耦合饋電電路間隙也會變得更窄,此時(shí)需要較厚的介質(zhì)基板才能滿足設(shè)計(jì)。而且更多的級數(shù)意味著更高的復(fù)雜度以及更大的損耗,所以設(shè)計(jì)者需要在各項(xiàng)指標(biāo)下做出協(xié)調(diào)。

3 級聯(lián)濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例

為證明本設(shè)計(jì)的可行性,選擇兩級諧振濾波器進(jìn)行了加工測試。該濾波器的加工實(shí)物圖如圖8 所示,介質(zhì)基板選用厚度為0.254 mm 的Rogers 4350B,其有效尺寸小于5.41 mm×7.61 mm(0.21λg×0.29λg),為方便測試,輸入和輸出采用SMA 接頭連接。為改善SMA 接頭匹配效果,對其探針部分進(jìn)行了一定程度的打磨。

對上述濾波器進(jìn)行測試,得到如圖9 所示的測試結(jié)果。根據(jù)圖9 的仿真與實(shí)測結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn),該濾波器S21的實(shí)測結(jié)果與仿真吻合較好,帶外抑制優(yōu)于40 dB,相對帶寬大于33%,損耗小于2.6 dB;但S11的實(shí)測結(jié)果與仿真相差較大,最大值接近-11 dB,這是因?yàn)镾MA 接頭在帶內(nèi)匹配效果較差,使得駐波比惡化,從而導(dǎo)致S11實(shí)測結(jié)果變差。

另外,圖9 的仿真結(jié)果中有五個(gè)極點(diǎn),根據(jù)式(1),級聯(lián)后輸入導(dǎo)納存在式(5)、式(6)和的平方項(xiàng),而且此項(xiàng)的解總存在自變量θ1,因此θ3和θ5共產(chǎn)生四個(gè)極點(diǎn),且均與θ1有關(guān),第五個(gè)極點(diǎn)僅由θ1產(chǎn)生,也僅對θ1敏感。值得注意的是,實(shí)測結(jié)果較仿真結(jié)果少兩個(gè)極點(diǎn),一方面因?yàn)檫@兩個(gè)極點(diǎn)與鄰近極點(diǎn)相距較近,容易重合;另一方面則是由SMA 接頭較差的匹配效果所引起。

為驗(yàn)證SMA 接頭對該濾波器實(shí)測結(jié)果的影響,圖10 給出了濾波器連接不同匹配狀態(tài)SMA 接頭時(shí)的駐波比仿真結(jié)果。僅微帶線為無SMA 接頭僅波端口激勵(lì)時(shí)的仿真結(jié)果,其與SMA 接頭已匹配狀態(tài)下的仿真結(jié)果較為一致,但與SMA 接頭未匹配狀態(tài)下的仿真結(jié)果相差較大。5～7 GHz 內(nèi),僅考慮駐波比最大值點(diǎn)可發(fā)現(xiàn),已匹配狀態(tài)與未匹配狀態(tài)駐波比最大值分別為1.34 和2.10,換言之,其回波損耗應(yīng)相差約7.77 dB,這與圖9 所示的仿真與實(shí)測結(jié)果較為吻合。

圖9 兩級諧振濾波器仿真與實(shí)測對比Fig.9 Two-stage resonant filter comparison between simulation and measurements

圖10 SMA 接頭對濾波器駐波比的影響Fig.10 Influence of SMA connector on filter VSWR

3 結(jié)論

本文基于微波網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)分析方法設(shè)計(jì)并制作了一款小型化雙枝節(jié)加載級聯(lián)寬帶諧振濾波器。實(shí)測結(jié)果表明,中心頻率為6 GHz 時(shí),兩級諧振濾波器有效尺寸小于5.41 mm×7.61 mm(0.21λg×0.29λg),可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于40 dB 的帶外抑制和大于33%的相對帶寬,與仿真結(jié)果較為一致,證明方法可行。同時(shí),文中給出的單級、兩級和三級諧振濾波器尺寸對比又進(jìn)一步表明,該諧振濾波器多級級聯(lián)仍具有小型化優(yōu)勢,可為移動(dòng)通信系統(tǒng)和固態(tài)雷達(dá)收發(fā)機(jī)的小型化設(shè)計(jì)提供參考。