具有小型化與高選擇性的雙頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)

王遠(yuǎn) 劉超 南敬昌 高明明，2

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)，葫蘆島 125105；2. 大連海事大學(xué)，大連 116000）

引 言

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，通信衛(wèi)星的載荷重量大大增加了其制造成本. 最佳解決方法是將衛(wèi)星的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)前端集成到一個(gè)子系統(tǒng)中. 而這種類型的發(fā)射、接收前端需要性能良好且結(jié)構(gòu)緊湊的雙頻帶通濾波器[1].

在設(shè)計(jì)雙頻帶通濾波器時(shí)，最常用的設(shè)計(jì)方法是采用階梯阻抗諧振器 (stepped impedance resonator,SIR)[2-5]. 雖然采用SIR 所設(shè)計(jì)的微帶結(jié)構(gòu)濾波器成本低、通帶間隔離度高，但是由于其較低的品質(zhì)因數(shù)，難以滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求. 基片集成波導(dǎo)(substrate integrated waveguide, SIW)結(jié)構(gòu)具有品質(zhì)因數(shù)高、插損低和易于集成的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是優(yōu)于微帶結(jié)構(gòu)的解決方案，并且近年來研究人員利用該結(jié)構(gòu)提出了多種雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)方法. 文獻(xiàn)[6]通過加載擾動金屬柱來控制SIW 腔內(nèi)的前三個(gè)諧振模式，但是其體積大、通帶分離不明顯. 文獻(xiàn)[7]提出了一種新型耦合方式來控制腔內(nèi)的 TE101和 TE102模式，同樣體積較大. 文獻(xiàn)[8]采用了正六邊形四分之一?；刹▽?dǎo)(quarter-mode substrate integrated waveguide, QMSIW)腔，具有良好的小型化特點(diǎn). 文獻(xiàn)[9]提出了一種背對背式的E 型缺陷地結(jié)構(gòu)(defected ground structure, DGS)，使所設(shè)計(jì)的兩個(gè)通帶廣泛分離. 文獻(xiàn)[10]利用雙模SIW 腔設(shè)計(jì)了一種新型雙通帶濾波器，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、頻率比有限.

本文通過在QMSIW 腔上加載L 型諧振槽與新型復(fù)合左右手(composite right/left-handed structure, CRLH)結(jié)構(gòu)，提出了一種具有小型化與高選擇性的雙頻帶通SIW 濾波器. 濾波器的兩個(gè)通帶分別位于C 波段上行頻率范圍5.925～6.425 GHz 與下行頻率范圍3.7～4.2 GHz 的中心，且具有較高的通帶隔離度、帶外抑制度與緊湊尺寸中低成本加工的優(yōu)點(diǎn). 充分解決了應(yīng)用于C 波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)中窄帶雙頻帶通濾波器的大多數(shù)關(guān)鍵特性.

1 濾波器結(jié)構(gòu)分析

所提濾波器結(jié)構(gòu)如圖1 所示. 該濾波器通過將L 型諧振槽與新型CRLH 結(jié)構(gòu)加載到縫隙耦合的QMSIW 腔中來實(shí)現(xiàn)，其中L 型諧振槽一端開路、一端短路，沿金屬通孔的排列路徑蝕刻在QMSIW 腔頂層；新型CRLH 結(jié)構(gòu)根據(jù)縫隙耦合槽的中心槽線呈對稱分布.

加載L 型諧振槽之后，耦合QMSIW 腔的中心頻率發(fā)生了改變. 隨著L 型槽長度L1+L2越長，相應(yīng)地其中心頻率也會向低頻方向移動. 因此與傳統(tǒng)耦合QMSIW 濾波器相比，加載L 型諧振槽之后可以實(shí)現(xiàn)更小的體積，同時(shí)也為最終設(shè)計(jì)的濾波器提供了低頻處的第一通帶. 在此基礎(chǔ)上，新型CRLH 結(jié)構(gòu)被用來提供第二通帶，新型的CRLH 結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)的矩形叉指結(jié)構(gòu)改為鋸齒形叉指結(jié)構(gòu)，這種改進(jìn)方法相當(dāng)于增大了叉指間的耦合長度，即增大了L4的值. 所以在QMSIW 腔體積相同的情況下，加載新型CRLH 結(jié)構(gòu)可以提供更低的通帶中心頻率，進(jìn)一步提高了濾波器的小型化程度.

由以上分析可知，本文所提的QMSIW 腔、L 型諧振槽與新型CRLH 結(jié)構(gòu)均具有諧振特性，所以該濾波器結(jié)構(gòu)存在多個(gè)諧振器間相互耦合，可以視為三階混合耦合結(jié)構(gòu)濾波器. 三階混合耦合濾波器能夠提供準(zhǔn)橢圓響應(yīng)，并且在通帶外的上下阻帶均會提供傳輸零點(diǎn)，使所設(shè)計(jì)的濾波器阻帶抑制度深且通帶分離特性良好，提高了濾波器的頻率選擇性.

為了進(jìn)一步說明濾波器的結(jié)構(gòu)原理，對所提濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行本征模仿真，得到了前四個(gè)本征模的諧振頻率，分別為3.93 GHz，4.01 GHz，5.9 GHz，6.11 GHz，相對應(yīng)的電場矢量分布如圖2 所示. 圖2(a)、(b)分別表示二階加載L 型諧振槽的耦合QMSIW 腔的兩種激勵模式，即腔內(nèi)基本模式 TE101的奇數(shù)與偶數(shù)模式. 因?yàn)榕紨?shù)頻率大于奇數(shù)頻率，所以兩者之間是電耦合的. 圖2(c)、(d) 分別表示CRLH 結(jié)構(gòu)的奇數(shù)與偶數(shù)模式，同理可知兩個(gè)CRLH 結(jié)構(gòu)單元之間耦合方式為電耦合. 其中CRLH 結(jié)構(gòu)所提供的電場矢量線與加載L 型諧振槽的QMSIW 腔在偶數(shù)模式下提供的電場矢量線相互平行，因此，加載L 型諧振槽的QMSIW 腔與CRLH 結(jié)構(gòu)之間為磁耦合[11]. 圖3為所提濾波器結(jié)構(gòu)的耦合示意圖.

圖2 濾波器的前四個(gè)本征模式電場矢量分布圖Fig. 2 Electric vector field distribution of the first four eigen-modes of the filter

圖3 諧振單元耦合示意圖Fig. 3 The graph of coupling scheme of the resonant unit

濾波器結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)會影響耦合單元間的耦合強(qiáng)度，耦合系數(shù)M可由式(1)來計(jì)算：

式中：M12=S表示加載L 型諧振槽的QMSIW 腔之間的耦合強(qiáng)度，由于對稱性M12=M21=S，其強(qiáng)度受參數(shù)O控 制，并且該強(qiáng)度會影響第一通帶帶寬；M13=1，M24=0分別表示加載L 型諧振槽的QMSIW 腔與CRLH 結(jié)構(gòu)單元的耦合強(qiáng)度，主要受參數(shù)W2控制；M34=0.02則表示兩個(gè)CRLH 結(jié)構(gòu)單元之間的耦合強(qiáng)度，主要受參數(shù)L4控制，并且L4的值對第二通帶的形成起決定性作用. 選取合適的耦合系數(shù)有助于獲得良好的通帶特性以及帶外衰減，利用電磁仿真軟件HFSS 對濾波器尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到的最終尺寸參數(shù)如表1 所示.

表1 濾波器的尺寸Tab. 1 The size of the filter mm

2 理論分析與設(shè)計(jì)

2.1 耦合QMSIW 腔

QMSIW 通過沿著磁壁對稱切割標(biāo)準(zhǔn)SIW 腔得到，與標(biāo)準(zhǔn)SIW 腔相比，體積只有原來的四分之一，但保留了與SIW 結(jié)構(gòu)相似的電磁特性. QMSIW 腔的諧振頻率可由式(2)來計(jì)算[12]：

圖4 耦合QMSIW 濾波器傳輸特性Fig. 4 Coupled QMSIW filter transmission characteristics

2.2 L 型諧振槽

圖5 L1+L2 對中心頻率的影響Fig. 5 L1+L2 influence on center frequency

2.3 左右手結(jié)構(gòu)

CRLH 結(jié)構(gòu)是通過在SIW 腔頂層蝕刻周期性的矩形叉指槽來實(shí)現(xiàn)，它能激發(fā)左手區(qū)的負(fù)共振、右手區(qū)的正共振和零階共振[15]. 實(shí)現(xiàn)等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率皆為負(fù)值的左手材料可以激發(fā)負(fù)共振，實(shí)現(xiàn)等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率皆為正值的右手材料可以激發(fā)正共振. 當(dāng)左手與右手材料的等效電容與電感之比相等時(shí)，CRLH 處于平衡狀態(tài)，即為零階共振[16].

為了進(jìn)一步說明CRLH 結(jié)構(gòu)的傳輸原理，如圖6所示為加載傳統(tǒng)CRLH 結(jié)構(gòu)的SIW 腔，該結(jié)構(gòu)可以被建模如圖7 所示的等效電路圖，其中SIW 通孔壁提供了并聯(lián)電感LL，CC表示并聯(lián)的對地電容. 左手材料由于寄生參數(shù)效應(yīng)，在這里被等效為串聯(lián)電容CL，右手材料被等效為并聯(lián)電容CR和 串聯(lián)電感LR. 改變波導(dǎo)寬度W可以調(diào)節(jié)LL的值，改變CRLH 結(jié)構(gòu)的槽線寬 度w1，w3與 長 度l， 可 以 調(diào) 節(jié) 串 聯(lián) 電 容 器CL的值[17]. 選取合適的CL可以使CRLH 處于平衡狀態(tài)，這時(shí)CRLH 在低頻段呈現(xiàn)高通特性，高頻段呈現(xiàn)低通特性，形成通帶. 因此串聯(lián)電容CL的值對通帶的影響極其重要[18].

圖6 加載傳統(tǒng)CRLH 結(jié)構(gòu)的SIW 腔Fig. 6 SIW loaded with conventional CRLH structure

圖7 加載傳統(tǒng)CRLH 結(jié)構(gòu)的SIW 腔的等效電路圖Fig. 7 Diagram of equivalent circuit of SIW loaded with conventional CRLH structure

本文在傳統(tǒng)矩形叉指的CRLH 結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，提出了一種新型鋸齒形叉指的CRLH 結(jié)構(gòu). 相較于傳統(tǒng)叉指結(jié)構(gòu)，鋸齒形叉指結(jié)構(gòu)增大了叉指間的耦合長度，即增大了串聯(lián)電容值CL，除此之外還增加了蝕刻面積，從而增大了對地并聯(lián)電容CC的值. 所以新型CRLH 結(jié)構(gòu)所提供的串聯(lián)電容CL和并聯(lián)電容CC均比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)要大，在結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，新型的CRLH 結(jié)構(gòu)所提供的通帶中心頻率要小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了濾波器小型化的程度. 此外，由于CRLH 本身作為諧振單元，進(jìn)一步地增加了濾波器的階數(shù)，為最終設(shè)計(jì)的濾波器提供了額外的傳輸零點(diǎn)ZT3. 圖8 所示為新型CRLH 結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)CRLH 結(jié)構(gòu)的傳輸特性比較. 可以看出，新型CRLH 結(jié)構(gòu)提供的第二通帶在中心頻率上具有明顯優(yōu)勢.

圖8 兩種CRLH 結(jié)構(gòu)的比較Fig. 8 The comparison of two CRLH structures

3 測試結(jié)果分析

本文所提濾波器在介電常數(shù) εr= 2.2、損耗角tan δ = 0.000 9、厚 度h= 0.508 mm 的Rogers5880 介質(zhì)基板上制造，最終加工尺寸為18 mm×9 mm(0.234λg×0.117λg) ，無饋線，括號中 λg代表第一通帶中心頻率處的波導(dǎo)波長. 將SMA 接頭與濾波器微帶饋線相連接，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5063A 對濾波器進(jìn)行實(shí)際測試，仿真結(jié)果與測試結(jié)果比較如圖9 所示.實(shí)際測試的中心頻率為3.8 GHz 和6.2 GHz，3 dB帶寬為230 MHz 和240 MHz，第一通帶中心頻率發(fā)生偏移的原因?yàn)榧庸さ腖 型槽結(jié)構(gòu)存在誤差. 實(shí)測通帶內(nèi)回波損耗均優(yōu)于20 dB，插入損耗均優(yōu)于3 dB.與仿真結(jié)果相比，實(shí)際測量中三個(gè)傳輸零點(diǎn)位于2.7 GHz，4.9 GHz，6.2 GHz，分別提供66 dB，74 dB 和64 dB 的衰減，在實(shí)測中該濾波器同樣可以實(shí)現(xiàn)較高的帶外抑制度與通帶隔離度. 總體實(shí)際測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較好，表明了本文所設(shè)計(jì)的雙頻帶通濾波器可以實(shí)現(xiàn)小型化和高選擇性. 圖10 為濾波器實(shí)物圖.

圖9 仿真與測試結(jié)果比對Fig. 9 The comparison of simulation and measurement

圖10 濾波器實(shí)物圖Fig. 10 Physical picture of the filter

為了突出濾波器體積小、階數(shù)少、多傳輸零點(diǎn)等特點(diǎn)，本文所設(shè)計(jì)的濾波器與一些類似的最新設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較，結(jié)果如表2 所示. 由表2 可知，在濾波器階數(shù)相近情況下，本文濾波器在尺寸和傳輸零點(diǎn)數(shù)方面均有優(yōu)勢. 總體來說，本文所設(shè)計(jì)的濾波器與一些已有文獻(xiàn)相比具有更小的體積和更高的選擇性，整體性能良好.

表2 濾波器性能比較Tab. 2 Comparison with other references

4 結(jié) 論

本文基于縫隙擾動的模式移位技術(shù)原理，提出了一種加載在QMSIW 腔上的L 型槽結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)耦合QMSIW 濾波器體積減小了42.6%，此外還改進(jìn)了CRLH 結(jié)構(gòu)，使其能夠提供更低的諧振頻率，進(jìn)一步提高了濾波器的小型化程度. 通過結(jié)合兩種新型結(jié)構(gòu)，通過耦合引入了三個(gè)傳輸零點(diǎn)，顯著提高了通帶選擇性. 因此，本文所提出的濾波器具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、選擇性高的特性，非常適合衛(wèi)星通信系統(tǒng)中集成于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的前端，以減輕有效載荷的重量.