基于耦合諧振器的五通帶帶通濾波器設(shè)計

郭子玥 ,何 明, ,郭 蓉 ,夏丹蕾 ,賈穎新

(1.南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院,天津 300350;2.天津市光電子薄膜器件與技術(shù)重點實驗室,天津 300350;3.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100190)

隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展,越來越多的通信設(shè)備需要滿足多通信系統(tǒng)的工作需求。因此,能夠同時在多頻段信號下工作的多通帶濾波器必不可少。目前已經(jīng)有很多關(guān)于雙通帶[1-5]、三通帶[5-9]及四通帶[10]微帶濾波器的報道,但是關(guān)于五通帶及以上的多通帶濾波器非常少。Liu 等[11]使用枝節(jié)加載的階躍阻抗諧振器進行五通帶設(shè)計,濾波器尺寸較小,但通帶選擇性有待改善;Zhou 等[12]采用多層介質(zhì)進行五通帶濾波器設(shè)計,濾波器具有八個傳輸零點,但在設(shè)計和制作上復(fù)雜度較高。

一般來說,利用微帶線設(shè)計多通帶濾波器的方法有如下幾種: 一是利用多模諧振器的多個諧振模式形成相應(yīng)傳輸通帶。這種濾波器通常采用階躍阻抗諧振器或枝節(jié)加載諧振器進行設(shè)計,具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成的特點,但往往需要打孔接地,給濾波器的制作帶來一定困難;二是利用多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計多通帶濾波器,這種方法加大了設(shè)計與制作難度;三是并聯(lián)多個諧振器來實現(xiàn)多通帶濾波器,這種方法具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計便捷等特點,受到眾多學(xué)者的青睞。

針對以上問題,本文提出了一款基于四個開路均勻阻抗諧振器結(jié)構(gòu)的新型五通帶濾波器。四個互相耦合的均勻阻抗諧振器可激發(fā)六個諧振模式。探究了耦合諧振器的諧振特性,繪制了諧振頻率與電長度的關(guān)系曲線,并研究了各通帶帶寬隨耦合間距及耦合長度的變化趨勢。通過平衡上述參數(shù),對五通帶濾波器進行設(shè)計、仿真、制作和測試,測試結(jié)果與仿真結(jié)果良好吻合。

1 諧振器分析與設(shè)計

五通帶濾波器版圖如圖1 所示,濾波器由四個互相耦合的半波長均勻阻抗諧振器組成,結(jié)構(gòu)關(guān)于面OO′對稱。其中,最外側(cè)的諧振器稱為1 號諧振器,下方內(nèi)側(cè)的諧振器稱為2 號諧振器,上方最內(nèi)側(cè)的諧振器稱為4 號諧振器,上方1 號和4 號之間的諧振器稱為3 號諧振器。為了簡化分析,四個諧振器的特性阻抗保持一致。圖中Lij(i,j=1,2,3,4)代表第i號諧振器中的第j段微帶線的長度,Lki(i=1,2,3,4)代表第i段饋線的長度,W為諧振器的寬度,Si(i=1,2)代表相應(yīng)諧振器間的間距,Skij(i,j=1,2,3,4)代表第i號諧振器中的第j段微帶線與饋線的間距。根據(jù)奇偶模分析方法,奇模激勵時,對稱面O-O′形成電壁,即對稱面短路接地;偶模激勵時,對稱面形成磁壁,即對稱面開路。

圖1 五通帶濾波器版圖Fig.1 Layout of proposed quint-band bandpass filter

弱耦合條件下耦合諧振器的頻率響應(yīng)如圖2 所示。從圖2 可以看出,四個耦合的半波長均勻阻抗諧振器共產(chǎn)生六個基礎(chǔ)諧振模式及四個傳輸零點,其中foi(i=1,2,3,4)代表奇模諧振模式,fei(i=1,2)代表偶模諧振模式,TZi(i=1,2,3,4)代表傳輸零點。

圖2 弱耦合條件下耦合諧振器的頻率響應(yīng)Fig.2 Frequency response of the coupled resonators under weak coupling condition

為了探究耦合諧振器的主要參數(shù)對六個諧振頻率的影響,研究了諧振頻率隨電長度θ11,θ23,θ24,θ31和θ41的變化規(guī)律(其中,θij代表線段Lij的電長度)。這里采用控制變量法進行分析,即考慮一個參數(shù)時,其余參數(shù)保持不變。如圖3(a)所示,當(dāng)θ11增大時,第一個諧振頻率fo1和第四個諧振頻率fe1減小,其余諧振頻率幾乎不變。從圖3(b)可以看出,θ41的變化僅影響第五個諧振頻率fo4。由圖3(c)可得,第二個諧振頻率fo2和第六個諧振頻率fe2隨著θ23的增加向較低頻率范圍移動。在圖3(d)中,θ24的變化僅顯著改變fe2,而對其他基模影響很小。在圖3(e)中,θ31的變化只影響第三個諧振頻率fo3。因此,合理選擇θ11,θ23,θ24,θ31和θ41的不同組合,可以靈活控制耦合諧振器的六個諧振頻率。

圖3 諧振頻率隨(a) θ11,(b) θ41,(c) θ23,(d) θ24及(e) θ31的變化曲線Fig.3 The resonant frequency varies with (a) θ11,(b) θ41,(c) θ23,(d) θ24 and (e) θ31

值得注意的是,耦合諧振器因多徑傳輸產(chǎn)生的傳輸零點不僅改善了濾波器的通帶選擇性,而且可以將諧振模式分離。根據(jù)傳輸零點位置及諧振頻率特性,六個諧振頻率被分為五組諧振模式。其中fo1,fo2,fo3和fe2分別獨立為一組諧振模式,fe1和fo4合為一組諧振模式。圖4 繪制了濾波器的耦合方案,五組諧振模式共形成了五個傳輸路徑。

圖4 濾波器的耦合方案Fig.4 Coupling scheme of the filter

2 五通帶濾波器分析與設(shè)計

基于上述分析,繪制了五通帶帶通濾波器在合理耦合強度下的全波電磁仿真結(jié)果,如圖5 所示。第一、二、三、五通帶各有一個傳輸極點,第四通帶有兩個傳輸極點,這與前面探討的五組諧振模式一致。五通帶濾波器共產(chǎn)生五個傳輸零點,其中TZ1、TZ2和TZ4為耦合諧振器形成的多徑傳輸效應(yīng)產(chǎn)生,TZ3和TZ5為耦合諧振器與叉指饋線耦合形成的多路徑產(chǎn)生。

圖5 五通帶濾波器的S21和S11頻率響應(yīng)Fig.5 The S21 and S11 frequency response of quint-band filter

為了進一步探究諧振器在各通帶中心頻率的諧振特性,分別繪制了五個中心頻率對應(yīng)的諧振器電流密度分布圖,如圖6 所示。

圖6 五通帶濾波器在(a) 1.9 GHz,(b) 2.4 GHz,(c) 3.3 GHz,(d) 4.1 GHz 和(e) 5 GHz 的電流密度分布Fig.6 Current density distribution of quint-band filter at (a) 1.9 GHz,(b) 2.4 GHz,(c) 3.3 GHz,(d) 4.1 GHz and (e) 5 GHz

從圖6(a)可以看出,一通帶中心頻率處的電流密度主要集中在最外側(cè)的1 號諧振器。從圖6(b)和(e)可以看出,2 號諧振器主要在二通帶和五通帶中心頻率諧振。圖6(c)中3 號諧振器主要在三通帶諧振。四通帶中心頻率的電流密度主要集中在4 號諧振器。由于四通帶的中心頻率接近一通帶的二倍頻,因此1 號諧振器在四通帶中心頻率處也有較明顯的電流分布(如圖6(d))。由圖6(e)可知,五通帶中心頻率的電流密度集中在2 號和4 號諧振器。可以發(fā)現(xiàn),圖6 的中心頻率電流分布特性與圖3 的諧振頻率變化規(guī)律一致。

濾波器的帶寬取決于外部品質(zhì)因數(shù)和耦合系數(shù)。其中饋線與諧振器之間的耦合決定外部品質(zhì)因數(shù),諧振器與諧振器之間的耦合決定耦合系數(shù)。圖7 給出了耦合間隙Sk11及耦合長度l31、l41和l24對五個通帶帶寬的影響。如圖7(a),耦合間隙Sk11對五個通帶帶寬均有影響。在圖7(b)中,當(dāng)耦合長度l31增加時,僅第三通帶帶寬增加,其余四個通帶帶寬保持恒定。在圖7(c)中,耦合長度l41只影響第四通帶帶寬。在圖7(d)中,當(dāng)耦合長度l24減少時,第五通帶帶寬稍變寬,其余通帶帶寬不變。因此,首先調(diào)節(jié)耦合間隙Sk11,使第一和第二通帶帶寬達到理想值,接著第三、第四和第五通帶帶寬可以分別由耦合長度l31,l41和l24獨立控制。綜上所述,合理調(diào)節(jié)耦合間隙和耦合長度,可在特定方式下獨立控制五個通帶的帶寬。

圖7 五通帶帶寬隨(a) Sk11,(b) l31,(c) l41及(d) l24的變化規(guī)律Fig.7 The quint-band bandwidths varied with (a) Sk11,(b) l31,(c) l41 and (d) l24

3 濾波器測試與討論

為了驗證上述設(shè)計方法,對提出的五通帶帶通濾波器進行制作和測試。濾波器采用Rogers 4003 作為基板,基板的相對介電常數(shù)為3.55,基板厚度為0.508 mm,損耗正切角為0.0027。經(jīng)過最終的全波電磁仿真與優(yōu)化,將濾波器的幾何尺寸匯總于表1。加工制作的濾波器實物如圖8。五通帶帶通濾波器的電路尺寸為10.55 mm×17.32 mm,或0.11λg×0.18λg(其中,λg是濾波器第一通帶中心頻率對應(yīng)的導(dǎo)波波長,電路尺寸不包括饋線長度)。

圖8 五通帶濾波器實物Fig.8 Photograph of fabricated quint-band filter

表1 制作濾波器的幾何尺寸Tab.1 The geometric sizes of the fabricated filter mm

使用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C 對制作的實物進行測試。仿真和測試結(jié)果的對比如圖9。測試的五通帶濾波器的中心頻率分別為1.9,2.37,3.34,4.2 和4.86 GHz,3 dB 相對帶寬分別為7.9%,8.9%,9.9%,9.5%和7.4%。五個通帶的最小插入損耗分別為1.35,1.26,1.62,1.14 和2.11 dB,回波損耗分別為18.9,23.3,16.4,37.6 及16.5 dB。濾波器通帶附近共產(chǎn)生五個傳輸零點,顯著提高了通帶選擇性與帶間隔離度。仿真和測試差異源于制作誤差及SMA 接頭的焊接誤差。

圖9 濾波器的仿真與測試結(jié)果對比Fig.9 Comparison of simulated and measured results of filter

表2 將提出的濾波器參數(shù)與部分已報道的四通帶及五通帶帶通濾波器的參數(shù)進行對比?？梢园l(fā)現(xiàn),該濾波器在電路尺寸、回波損耗及設(shè)計便捷度方面具有顯著優(yōu)勢。

表2 本工作與已有工作對比Tab.2 Comparison between this work and prior work

4 結(jié)論

使用簡易的并聯(lián)多組諧振器的方法實現(xiàn)并制作了一款新型五通帶帶通濾波器。濾波器由四個耦合的半波長均勻阻抗諧振器構(gòu)成。通過合適的饋電結(jié)構(gòu),可以激發(fā)六個頻率可控的諧振模式,具有較高的頻率設(shè)計自由度。此外,五個通帶帶寬可通過調(diào)節(jié)耦合間距及耦合長度來獨立控制。濾波器在通帶附近共產(chǎn)生五個傳輸零點,從而提升了通帶選擇性和帶間隔離度。制作的濾波器電路尺寸為10.55 mm×17.32 mm,五個通帶插入損耗分別為1.35,1.26,1.62,1.14 和2.11 dB。設(shè)計的五通帶濾波器具有尺寸緊湊、高通帶選擇性及低插入損耗等特性,可應(yīng)用于多頻帶無線通信系統(tǒng)。