一種高選擇性寬帶外抑制帶通濾波器

孫 龍，盧保軍，陳會(huì)永，張 躍，陳 林

(博微太赫茲信息科技有限公司 太未來實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088)

0 引言

隨著5G的發(fā)展以及6G預(yù)研，微波毫米波通信在無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色，而隨著5G通信的普及，對(duì)通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量與速率提出了新的要求。微波濾波器作為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分，濾波器的性能關(guān)乎到整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量的好壞與否。因此，為了提高整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性，具有高選擇性、寬帶寬、寬帶外抑制特性[1-5]的小型化濾波器是現(xiàn)代濾波器發(fā)展的必然趨勢。微帶線濾波器作為平面結(jié)構(gòu)濾波器，其特點(diǎn)為體積小、重量輕、便于加工和其他無源結(jié)構(gòu)集成在一塊PCB板上[6-10]。

本文主要研究基于Three-SIR諧振器的高選擇性帶通濾波器。首先，建立傳輸線模型，通過奇偶模理論[11-13]對(duì)枝節(jié)加載SIR的諧振特性進(jìn)行分析；其次，利用傳輸零點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理[14-17]，在傳統(tǒng)的Three-SIR引入額外的傳輸零點(diǎn)，獲得改進(jìn)后Three-SIR結(jié)構(gòu)；最后，通過電磁仿真對(duì)濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得一個(gè)具有小型化高選擇性、寬帶外抑制的寬帶帶通濾波器，并制作了實(shí)物來驗(yàn)證改進(jìn)后的Three-SIR濾波器的可行性。

1 設(shè)計(jì)理論

1.1 Three-SIR諧振特性

經(jīng)典的兩階SIR結(jié)構(gòu)采用2段具有不同阻抗的微帶線，其等效模型以及諧振特性之前已經(jīng)做了詳盡研究。本文通過采用Three-SIR結(jié)構(gòu)獲得3個(gè)諧振點(diǎn)，與兩階SIR結(jié)構(gòu)相比較，通過對(duì)Three-SIR優(yōu)化設(shè)計(jì)，其物理尺寸可以進(jìn)一步縮小，下面給出其諧振特性的具體分析。Three-SIR的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Three-SIR結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Three-SIR structure

Three-SIR結(jié)構(gòu)由3段電長度為θ1，θ2，θ3的傳輸線所組成，對(duì)應(yīng)的阻抗分別是Z1，Z2，Z3。與兩階SIR類似，阻抗比表達(dá)式為：

(1)

沿著圖1結(jié)構(gòu)的A-A’一分為二，朝左(或右)看的阻抗表達(dá)式可以計(jì)算出[16]：

(2)

滿足諧振條件時(shí)，奇模和偶模情況下Zin=0和Zin=∞[15-20]。對(duì)Three-SIR研究時(shí)，與兩階SIR類似，首先令Three-SIR的3段傳輸線的電長度相等，即θ1=θ2=θ3，當(dāng)Three-SIR處于諧振條件下時(shí)，此時(shí)前3個(gè)諧振頻率對(duì)應(yīng)的電長度分別為：

(3)

由上述討論可知，3個(gè)諧振頻率可以由對(duì)應(yīng)的物理尺寸進(jìn)行優(yōu)化。在實(shí)際應(yīng)用中，往往已知所需頻率，從而反推出對(duì)應(yīng)的物理尺寸。故當(dāng)f1,f2,f3已知時(shí)，Three- SIR的阻抗比為：

(4)

式中，

(5)

1.2 傳輸零點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理

傳統(tǒng)Three-SIR諧振器通過2個(gè)諧振節(jié)點(diǎn)串聯(lián)或者并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)諧振模式[11-14]，但是這種組合方法對(duì)于帶外信號(hào)不具有良好的選頻特性，及濾波器的矩形系數(shù)不高。為了產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)和改善濾波器的矩形系數(shù)，對(duì)于主路采用并聯(lián)諧振回路可以串聯(lián)一個(gè)L(如圖2(a)和圖3(a)所示)，而對(duì)于主路采用串聯(lián)諧振的回路可以并聯(lián)一個(gè)L[18](如圖2(b)和圖3(b)所示)，此時(shí)傳輸零點(diǎn)處的諧振頻率會(huì)在中心頻率f0右側(cè)，即通帶右側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)。

(a) 串聯(lián)

(a) 串聯(lián)

以圖3(a)為例進(jìn)行分析，該電路的輸入阻抗為：

(6)

當(dāng)Z=0和Z→∞時(shí)，分別對(duì)應(yīng)于S11=∞和S11=0時(shí)的諧振頻率：

(7)

顯而易見，ωTZ>ω0，傳輸零點(diǎn)出現(xiàn)中心頻率f0的右側(cè)。

2 仿真和測試

本工作提出的新型Three-SIR濾波器如圖4所示，具有高選擇性、寬帶外抑制、寬通帶的性能，其中Three-SIR諧振器為基本諧振單元。為了產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)和改善濾波器的矩形系數(shù)，在傳輸主路上并聯(lián)一個(gè)細(xì)長接地電感L，在濾波器的通帶右側(cè)產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)。

圖4 加載金屬化過孔Three-SIR濾波器Fig.4 Three-SIR filter with metallized via-hole

所設(shè)計(jì)的微帶線濾波器具體指標(biāo)如下：其中心頻率為f0=7.5 GHz，相對(duì)帶寬(3 dB帶寬)FBW=44%，回波損耗S11≥18 dB，帶外抑制大于30 dB，傳輸零點(diǎn)分別位3.6，10.3 GHz。參數(shù)優(yōu)化后得到濾波器最終的設(shè)計(jì)尺寸如表1所示。

表1 金屬化過孔濾波器結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Structure size of the filter with metallized via-hole 單位：mm

2.1 加載金屬化過孔Three-SIR帶通濾波器

根據(jù)上述濾波器優(yōu)化后的模型，利用標(biāo)準(zhǔn)PCB工藝對(duì)微帶濾波器進(jìn)行加工。所選用基板材料為Rogers4350B，H=0.254 mm，εr=3.66，tanδ=0.004，濾波器實(shí)物圖如圖5所示。由于基板厚度太薄在測量時(shí)易發(fā)生變形，故采用紙板作為襯底，紙板上下兩面用銅箔包裹起來。測試的連接器采用免焊式2.92-KFDY090連接器。通過羅德ZVA67網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量，得到濾波器的測量結(jié)果如圖6所示。

圖5 加載金屬化過孔Three-SIR濾波器實(shí)物Fig.5 Three-SIR filter with metallized via-hole

圖6 加載金屬化過孔Three-SIR濾波器頻響特性仿真與測試結(jié)果Fig.6 Simulation and test results of frequency response characteristics of Three-SIR filter with metallized via-hole

由圖6可以看出，濾波器的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通帶內(nèi)的反射系數(shù)S11≤-10 dB，插入損耗約為3.5 dB(包含2.92連接器接頭損耗以及2.4轉(zhuǎn)2.92接頭損耗為1 dB)，部分頻點(diǎn)為4.5 dB，傳輸零點(diǎn)分別在f1=3.56 GHz和f2=10.12 GHz，回波損耗分別為65，57 dB。通帶附近的下阻帶抑制度大于45 dB，9.8～18.3 GHz帶外抑制度大于30 dB(2.45f0)。

2.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)——無金屬過孔Three-SIR帶通濾波器

根據(jù)圖6中濾波器的測量和仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，濾波器帶內(nèi)存在部分頻點(diǎn)插損較大，究其原因，除了測試工裝的簡陋引入的誤差以及接頭損耗，更多的是由金屬化過孔加工誤差引起。在PCB加工過程中，孔的加工精度要遠(yuǎn)小于微帶線的加工精度。此外，對(duì)于以99陶瓷和石英等材料作為基底，如果采用金屬化過孔會(huì)增加加工工藝的難度和成本，因此基于金屬過孔的Three-SIR濾波器具有一定的局限性，故在此基礎(chǔ)上通過扇形面交流接地，從而去除由于金屬過孔加工誤差導(dǎo)致性能惡化，且能夠?qū)崿F(xiàn)相同的濾波特性，如圖7所示。

圖7 無金屬化過孔Three-SIR濾波器Fig.7 Three-SIR filter without metallized via-hole

設(shè)計(jì)的微帶線濾波器指標(biāo)和金屬化過孔一致。θ=45°，參數(shù)優(yōu)化后得到濾波器最終的設(shè)計(jì)尺寸如表2所示。

表2 無金屬化過孔濾波器結(jié)構(gòu)尺寸Tab.2 Structure size of the filter without metallized via-hole 單位：mm

與圖5相比，主要是將原來接地的金屬化過孔換成扇形，從而降低PCB加工工藝的誤差，最大程度保證了濾波器的一致性。無金屬過孔的Three-SIR濾波器實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 無金屬化過孔Three-SIR濾波器實(shí)物Fig.8 Three-SIR filter without metallized via-hole

無金屬化過孔Three-SIR濾波器頻響特性仿真與測試結(jié)果如圖9所示。由圖9以看出，濾波器的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通帶內(nèi)的反射系S11≤-11 dB，插入損耗約為2 dB(除去接頭損耗)，傳輸零點(diǎn)分別在f1=3.66 GHz和f2=10.02 GHz，回波損耗分別為68，54 dB。通帶附近的下阻帶抑制度大于45 dB，上阻帶抑制度大于30 dB(9.83～18.3 GHz)。證明在濾波器指標(biāo)未發(fā)生改變的情況下，圖7中提出扇形結(jié)構(gòu)來替代金屬化過孔的結(jié)構(gòu)是有效的。

圖9 無金屬化過孔Three-SIR濾波器頻響特性仿真與測試結(jié)果Fig.9 Simulation and test results of frequency response characteristics of Three-SIR filter without metallized via-hole

3 結(jié)束語

基于Three-SIR固有的寬帶特性，設(shè)計(jì)了一款通帶為5.8～9.1 GHz寬帶Three-SIR濾波器。實(shí)測結(jié)果表明，通帶范圍內(nèi)反射系數(shù)S11≤-11 dB，插入損耗約為2 dB，通帶附近的下阻帶抑制度大于45 dB，9.83～18.3 GHz帶外抑制優(yōu)于30 dB(2.45f0)。相較于傳統(tǒng)的SIR或Three-SIR諧振器，本文所設(shè)計(jì)的Three-SIR具有小型化、高選擇性、寬帶外抑制和寬帶寬；此外還具有低成本、易加工、一致性好和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，能夠廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)中。