基于梳狀型SLR 的新型四通帶濾波器設(shè)計(jì)

張友俊,彭 姚

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院,上海 201306)

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷革新,微帶濾波器因具有兼容性強(qiáng)、體積小、制作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)在射頻系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。目前關(guān)于雙通帶和三通帶的濾波器研究相對(duì)較多[1-4],但對(duì)四通帶的研究還存在可控程度有限、帶內(nèi)外性能難以兼顧、結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜等問(wèn)題[5-12]。文獻(xiàn)[5]利用多模諧振器在形成三通帶的基礎(chǔ)上外嵌T 型諧振器產(chǎn)生四通帶,插入損耗較低,但也因此干擾多模諧振器的正常工作模式,不再具備通帶可控的性能。文獻(xiàn)[6]所設(shè)計(jì)的四通帶濾波器采用了λ/4 諧振器,使用零度饋線結(jié)構(gòu)引入額外的傳輸零點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)帶外抑制水平的調(diào)節(jié),但不能對(duì)各通帶中心頻率進(jìn)行調(diào)控,因而在實(shí)際應(yīng)用中缺乏靈活性。文獻(xiàn)[7]采用感性源與負(fù)載加載兩對(duì)枝節(jié)諧振器的結(jié)構(gòu)形成四通帶效果,具有較好的帶外抑制度,但插入損耗較大,容易導(dǎo)致信號(hào)失真。文獻(xiàn)[8]基于四模階躍阻抗諧振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的四通帶濾波器,在輸入/輸出端口與諧振器之間采用多路徑耦合的方式,使得通帶間具有較高的隔離度,但導(dǎo)致濾波器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,不易加工。所以,設(shè)計(jì)一款兼具通帶可控、插損較低、帶內(nèi)外性能佳、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的四通帶濾波器在目前研究中仍是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。

本文提出一種新型的基于梳狀型枝節(jié)加載諧振器(SLR)的四通帶濾波器。通過(guò)分析梳狀型SLR 工作原理得到四條諧振路徑,通過(guò)調(diào)控相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各通帶中心頻率的控制。通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部耦合系數(shù)和外部耦合線長(zhǎng)度達(dá)到控制帶寬的功能。并將所提出的理論通過(guò)電磁仿真軟件HFSS 15.0 進(jìn)行驗(yàn)證。

1 梳狀型枝節(jié)加載諧振器分析

本文所提出的梳狀型枝節(jié)加載諧振器(SLR)結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D1 所示。該諧振器由一條主傳輸線上加載四個(gè)開(kāi)路枝節(jié)和一個(gè)短路枝節(jié)組成,具有對(duì)稱結(jié)構(gòu),因而可以用奇偶模分析法[13]進(jìn)行分析。利用奇偶模分析法得到圖2(a)和(b)。從圖2(a)可以看出,該奇模電路圖有兩條諧振路徑,如圖3(a)和(b)所示。類似地,偶模電路也有兩條諧振路徑,如圖3(c)和(d)所示。圖中Mi為各傳輸線的長(zhǎng)度,Yi為各傳輸線段對(duì)應(yīng)的特性導(dǎo)納。

圖1 梳狀型SLR 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.1 Topological diagram of comb-shaped SLR

圖2 奇偶模等效電路。(a)奇模;(b)偶模Fig.2 Even-mode equivalent circuit.(a) Odd-mode;(b) Even-mode

圖3 四條諧振路徑。(a)奇模諧振路徑1;(b)奇模諧振路徑2;(c)偶模諧振路徑1;(d)偶模諧振路徑2Fig.3 Four resonance paths.(a) Odd-mode resonance path 1;(b) Odd-mode resonance path 2;(c) Even-mode resonance path 1;(d) Even-mode resonance path 2

由上述可知,四條諧振路徑對(duì)應(yīng)四種諧振模式,奇模路徑1 的輸入阻抗對(duì)應(yīng)Yin,odd1,奇模路徑2 輸入阻抗為Yin,odd2,類似地,偶模路徑1 和2 輸入阻抗分別為Yin,even1和Yin,even2,θi=Mi β,式中i為0,1,2,3,4;θ為電長(zhǎng)度;β為傳播常數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]可分別計(jì)算出四條諧振路徑對(duì)應(yīng)的輸入阻抗為:

當(dāng)圖3 中各電路諧振時(shí),四條路徑的諧振頻率計(jì)算如下:

式中:c為光速;n為1,2,3,4;εeff為介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)。

四條諧振路徑對(duì)應(yīng)四個(gè)諧振模式,即Moden=fn(n=1,2,3,4),令f1為fodd1,f2為feven1,f3為fodd2,f4為feven2,各個(gè)頻率由不同的參數(shù)控制如表1 所示。

表1 各諧振模式相關(guān)參數(shù)Tab.1 Related parameters of each resonance mode

由表1 可知,可以先通過(guò)調(diào)節(jié)M2控制f1、f2,再調(diào)節(jié)M3控制f3,最后調(diào)節(jié)M0控制f4。通過(guò)改變各模式相應(yīng)參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)通帶中心頻率的調(diào)控。

2 濾波器設(shè)計(jì)

基于上述梳狀型SLR 結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一款四通帶濾波器,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。所設(shè)計(jì)的濾波器由內(nèi)外兩部分組成,內(nèi)部是梳狀型SLR 的異形結(jié)構(gòu),外部是兩個(gè)對(duì)稱的C-型微帶線,微帶線用于提供源與負(fù)載的耦合激勵(lì),使濾波器能夠正常工作。

圖4 四通帶濾波器結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.4 Topological structure diagram of quad-band filter

2.1 通帶帶寬的調(diào)節(jié)

濾波器的各通帶帶寬受耦合系數(shù)和外部品質(zhì)因數(shù)Qe影響。耦合系數(shù)由諧振器內(nèi)部的耦合決定,各頻段的耦合系數(shù)為Kn,Kn由不同的參數(shù)控制,如表2 所示。外部品質(zhì)因素由C-型耦合線(L8+L9+L10+L11+L12)、饋線長(zhǎng)度L0和間隙G2決定。從表2 中可以得到,一、二通帶主要受G1和L6調(diào)控,三、四通帶主要受L12和G2影響。圖5 為不同G1下的第一、二通帶S21參數(shù)圖。由圖5 可知,G1越大,第一通帶帶寬越大,第二通帶帶寬越小,并且隨著G1增大兩傳輸零點(diǎn)的位置也隨之偏移。而第三、四通帶主要由外部耦合線影響通帶的帶寬,圖6 所示為改變內(nèi)折耦合線L12的S21參數(shù)變化。從圖6 中可以看到,第三通帶隨著L12的增大而增大,第四通帶則相反。

表2 各通帶耦合系數(shù)相關(guān)參數(shù)Tab.2 Coupling coefficient related parameters of each passband

圖5 不同G1下的頻率響應(yīng)Fig.5 The frequency response under different G1

圖6 不同L12下的頻率響應(yīng)Fig.6 The frequency response under different L12

2.2 頻帶中心頻率的調(diào)控

根據(jù)所提出的梳狀型SLR 四個(gè)工作模式,結(jié)合通帶帶寬的分析,綜合濾波器小型化的考慮,對(duì)各諧振路徑進(jìn)一步設(shè)計(jì),得到濾波器具體拓?fù)鋮?shù):M0(LS),M1(L1),M2(L2+L5+L6),M3(L3),M4(L4+L7)。使用仿真軟件HFSS 15.0 進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)改變參數(shù)L5,先調(diào)節(jié)第一通帶的中心頻率,再調(diào)整參數(shù)L2控制第二通帶中心頻率,L3控制第三通帶中心頻率,LS控制第四通帶中心頻率。圖7(a)～(d)所示為濾波器各通帶中心頻率調(diào)節(jié)的過(guò)程。

圖7 濾波器各通帶的調(diào)控過(guò)程。(a)f1的調(diào)控;(b)f2的調(diào)控;(c)f3的調(diào)控;(d)f4的調(diào)控Fig.7 The regulation process of each passband of the filter.(a) Regulation of f1;(b) Regulation of f2;(c) Regulation of f3;(d) Regulation of f4

2.3 四頻帶通濾波器

基于上述分析,選取相對(duì)介電常數(shù)εr為2.65,板材厚度為1 mm 的介質(zhì)基板,兩個(gè)50 Ω 饋線用作輸入/輸出端口,通過(guò)不斷優(yōu)化,得到四通帶濾波器的最終仿真結(jié)果如圖8 所示,各參數(shù)具體尺寸見(jiàn)表3,濾波器的總電路尺寸為23.3 mm×29.6 mm(0.2λg×0.25λg,λg為最小通帶中心頻率的波長(zhǎng))。仿真結(jié)果顯示,四個(gè)通帶的中心頻率分別為1.55,2.44,3.18和4.41 GHz,插入損耗分別為0.35,0.34,1.53 和1.1 dB,回波損耗分別為28.5,17.8,28.3 和18.0 dB。頻帶上有四個(gè)傳輸零點(diǎn)和五個(gè)傳輸極點(diǎn),具有較好的帶內(nèi)選擇性和帶外抑制度。

表3 四通帶濾波器各參數(shù)尺寸Tab.3 Dimensions of the parameters of the quad-band pass filter mm

圖8 四通帶濾波器最終仿真結(jié)果圖Fig.8 Final simulation result of quad-band filter

為了進(jìn)一步驗(yàn)證濾波器各通帶分析,給出了四個(gè)中心頻率下的電流分布如圖9 所示。圖9(a)和(b)分別是第一通帶和第二通帶中心頻率下的電流分布圖,由圖可知,路徑M2以及間隙G1間的耦合為兩通帶作出主要貢獻(xiàn);圖9(c)中貢獻(xiàn)較大的是路徑M3與外部微帶線間的耦合;圖9(d)中對(duì)第四通帶貢獻(xiàn)較大的是路徑M0以及M4與C-型耦合線內(nèi)折部分的耦合。四張電流分布圖表明上述關(guān)于通帶帶寬和中心頻率分析的合理性。表4 列出所設(shè)計(jì)的濾波器與其他幾種四通帶濾波器性能的比較,由表可見(jiàn),此設(shè)計(jì)具有更低的插損,并且僅使用單個(gè)諧振器實(shí)現(xiàn)通帶可控,這是其他濾波器所不具備的。

表4 與其他四通帶濾波器的性能比較Tab.4 Performance comparison with other quad-band filters

圖9 不同頻率下的電流分布圖。(a)f1為1.55 GHz;(b)f2為2.44 GHz;(c)f3為3.18 GHz;(d)f4為4.41 GHzFig.9 Current distribution diagram at different frequencies.(a) f1=1.55 GHz;(b) f2=2.44 GHz;(c) f3=3.18 GHz;(d) f4=4.41 GHz

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于梳狀型SLR 的四通帶濾波器。通過(guò)采用源與負(fù)載耦合和路徑復(fù)用的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器各通帶性能的控制。通過(guò)仿真可驗(yàn)證,各通帶的插入損耗都低于1.53 dB,回波損耗皆優(yōu)于17.8 dB,整體電路尺寸為23.3 mm×29.6 mm(0.2λg×0.25λg),與其他方法所設(shè)計(jì)的濾波器相比,此濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、插損較低、通帶可控、帶內(nèi)外性能較好,其性能符合現(xiàn)代多頻通信系統(tǒng)的要求,具有較大的應(yīng)用前景。