一種高選擇性新型三頻濾波器設計

留黎欽, 洪美麗, 翁敏航

(莆田學院 機電與信息工程學院,福建 莆田 351100)

幾十年來,無線通信技術已經發(fā)展并成為我們生活中不可或缺的一門技術,人們對多帶通濾波器的設計也越來越感興趣．作為在射頻前端的關鍵部件,緊湊的尺寸和高性能的多帶通濾波器(bandpass filters, BPFs)越來越能滿足不斷增長的需求趨勢[1—7]．多帶通濾波器可以有效地利用頻率資源和設備成本,兼容多個通信系統(tǒng)使用,濾除干擾信號．

目前,常用于設計三頻濾波器的諧振器結構有步階阻抗諧振器(SIR)、枝節(jié)加載諧振器(SLR)等．Chen等[8]提出一對具有平行耦合排列的對稱步階阻抗諧振器來構建三頻濾波器．Chen等[9]和Hsu等[10]提出了一對使用平行耦合布置的三段SIR構建三頻帶通濾波器.三段式SIR的缺點是設計的復雜性,尤其是在共振頻率分析方面．Lai等[11]使用了枝節(jié)加載諧振器(SIR)和缺陷地結構諧振器(DGS)共同設計了三頻濾波器,其設計結構復雜,缺陷地結構也破壞了元件的完整性．設計具有高選擇性、結構簡單且微小化的三頻濾波器仍然是一個很重要的研究課題．

本文設計了一款新型多模諧振器．該諧振器結構簡單,由一個均勻的二分之一波長的傳輸線上對稱加載兩個枝節(jié)組成,通過加載的兩個枝節(jié)來調節(jié)諧振器的模態(tài),利用奇偶模分析方法,實現(xiàn)了高選擇性和微小化的三頻濾波器．

1 設計步驟

1.1 基本結構

設計中的濾波器由兩個諧振器通過電耦合結構形成．該諧振器由一個均勻的二分之一波長的傳輸線加載兩個具有不同阻抗的枝節(jié)組成(stub loading uniform impedance resonator, SLUIR),其中一個枝節(jié)為開路枝節(jié),另一個為短路枝節(jié)．采用RT/Duroid 5880基板設計并制作帶通濾波器, 其介電常數(shù)(εr) 為2.2,損耗角正切(tan θ)為0.000 9,厚度(h)為0.787 mm．該濾波器的結構圖見圖1．

圖1 三頻帶通濾波器結構圖

1.2 諧振器的奇偶模分析

圖2為設計的多模諧振器SLUIR結構圖,UIR傳輸線的阻抗和電長度分別記為Z1和θ1,短路枝節(jié)的阻抗和電長度分別記為Zs1和θs1，開路枝節(jié)的阻抗和電長度分別記為Zs2和θs2．

圖2 本研究所使用的SLUIR諧振器結構圖

所設計的諧振器具有對稱性,因而需要進一步對奇模和偶模進行深入分析．在奇模諧振中,SLUIR的對稱平面是電壁;在偶模諧振中,SLUIR的對稱平面是磁壁．圖3為奇模和偶模的結構圖．基于傳輸理論,與SLUIR的奇模諧振和偶模諧振相對應的諧振公式可以分別表示為

圖3 奇模和偶模結構圖

zinodd=jZ1tgθ1,

(1a)

(1b)

本文所設計的諧振器具有3個電長度θ1，θs1和θs2,可定義其電子長度比,以此增加設計自由性．其定義如下:θt=θ1,α1=θs1/θt,α2=θs2/θt．將k定義為阻抗比,則內枝節(jié)阻抗比為k1=Zs1/Z1、外枝節(jié)阻抗比為k2=Zs2/Z1．將定義的各參數(shù)代入(1a)式和(1b)式,可以得到關于k,θt,α1,α2變量的函數(shù)．SLUIR的奇模和偶模對應的諧振條件為Yinodd=0,Yineven=0,即

-j(ctgθt)/Z1=0，

(2a)

(2b)

在圖1的三頻帶通濾波器結構基礎上,調整高阻抗部分的電子長度和低阻抗部分的電子長度,可以確定三頻濾波器的中心頻率．圖4為以參數(shù)L1=22.75 mm,Ls1=6.8 mm,Ls2=6.675 mm,W1=1.8 mm,Ws1=0.65 mm,Ws2=0.8 mm,g=0.2 mm,t=6 mm,k1=1.71,k2=1.55仿真得到的中心頻率分別為2.51,4.90,7.50 GHz的三頻帶通濾波器．

圖4 三頻帶通濾波器的仿真效果圖

1.3 三頻濾波器設計

在三頻濾波器設計過程中,濾波器的3個通帶的帶寬由耦合系數(shù)(Ki,j) 和外部質量因子(Qe)來決定．在兩個級連的諧振器中,耦合系數(shù)受到諧振器之間的間距g影響;輸入輸出采用0度饋電方式,其抽頭所在的位置t影響著外部質量因子．

1.3.1耦合系數(shù) 使用一個均勻的二分之一波長的傳輸線加載一個開路的不同阻抗的枝節(jié)來形成三頻BPF．中心頻率分別為2.51,4.90,7.50 GHz,3個通帶的3-dB帶寬(FBW)分別為13.54%,6.73%,5.06%．已知與所需3-dB帶寬有關的耦合系數(shù)由耦合間隔(g)控制．為了滿足三個通帶的帶寬的濾波器規(guī)格,耦合系數(shù)Ki,j可以從全波模擬傳輸系數(shù)計算得出,表示為

圖5為不同g之間的耦合系數(shù)圖．從圖5可以看出,隨著g的增大,兩個通帶的耦合系數(shù)逐漸下降,由于實驗室的雕刻機精度為0.2 mm,故仿真實驗采取g=0.2 mm．

圖5 耦合系數(shù)圖

1.3.2外部質量因子 外部質量因子(Qe)為濾波器輸入輸出到諧振器能量的大小,一般來說,外部質量因子越大,說明饋入的能量越大,品質也越好．對應于所設計的頻率,其外部品質因子可以通過分析與對稱平面抽頭位置t之間的關系．從全波模擬傳輸系數(shù)理論來計算得到:

式中:ω0為諧振器的頻率;Δω3-dB為3-dB的帶寬．

圖6為不同t下第三通帶的外部質量因子圖．從圖6中可以看出,第三通帶隨著t的變大,其外部質量因子也變大．

圖6 第三通帶的外部質量因子

2 實驗結果

根據(jù)模擬仿真的結果,制作濾波器,設計尺寸為:L1=22.75 mm,Ls1=6.8 mm,Ls2=6.675 mm,W1=1.8 mm(對應阻抗為60 Ω),Ws1=0.65 mm(對應阻抗為103 Ω),Ws2=0.8 mm(對應阻抗為90 Ω),g=0.2 mm,t=6 mm,α1=0.149,α2=0.146,k1=1.71,k2=1.55．濾波器加工實物見圖7．整個三頻濾波器的尺寸為0.24λ0×0.24λ0．圖8為實測和模擬仿真性能的比較圖．從圖8可以看出,實測和模擬仿真的數(shù)據(jù)基本一致,實現(xiàn)了第一通帶的中心頻率為2.51 GHz,返回損耗|S11|>39 dB,插入損耗|S21|>0.31 dB,3-dB帶寬為13.54%;第二通帶的

圖7 濾波器加工實物圖

圖8 實測和模擬仿真對比圖

中心頻率為4.9 GHz,返回損耗|S11|>17 dB,插入損耗|S21|>0.98 dB,3-dB帶寬為6.73%;第三通帶的中心頻率為7.5 GHz,返回損耗|S11|>17 dB,插入損耗|S21|>2 dB,3-dB帶寬為5.06%．由于采用了0度饋電方式,在頻率為2.07,3.3,5.4和8.02 GHz處產生了4個傳輸零點,實現(xiàn)了濾波器的高選擇性．

表1總結了所設計的濾波器與其他已有文獻[8—11]的三頻帶通濾波器的比較．本文所設計的濾波器由兩個SLUIR級聯(lián)組成,減少了步階阻抗所帶來的不連續(xù)輻射損失,同時未使用DGS方法,保證了元器件的完整性．從表1可以發(fā)現(xiàn),本文所設計的三頻帶通濾波器具有插入損耗低、帶寬比較大,尺寸也較小的優(yōu)點．

表1 設計濾波器與文獻中三頻濾波器比較結果

3 結語

SLUIR是一種簡單的諧振器結構,它可以通過調節(jié)結構參數(shù)來控制多種諧振模式．本文通過兩個SLUIR實現(xiàn)三頻帶通濾波器,利用奇、偶模阻抗分析方法分析其諧振條件,并通過計算耦合系數(shù)和外部質量因子來確定濾波器的響應．因此，濾波器的形成采用了電耦合和抽頭度輸入/輸出結構．設計的濾波器中心頻率為2.51,4.9,7.5 GHz,適用于4G通信系統(tǒng)、5G通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等．經過設計、制作和測試，該濾波器測量結果與仿真結果吻合較好,驗證了設計思想．