一種高抑制小型化帶通濾波器

張友俊，宋婉萍，朱祥李

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306)

0 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜資源日益緊張，具有緊湊尺寸、低損耗和良好帶外抑制的微帶帶通濾波器成為必不可少的元器件[1-5]。微帶線具有與低頻集成電路[6]兼容的結(jié)構(gòu)，它可實(shí)現(xiàn)小型化，并與無(wú)源和有源微波設(shè)備集成[7]。

文獻(xiàn)[8]提出由2條耦合線和2條傳輸線組成的一種新型等紋波響應(yīng)帶通濾波器，它具有4個(gè)反射零點(diǎn)和高衰減率，但其回波損耗較差，電路尺寸較大。文獻(xiàn)[9]提出了一種傳輸零點(diǎn)可重構(gòu)的帶通濾波器，在不影響插入損耗時(shí)，該濾波器可增加額外的傳輸零點(diǎn)，其回波損耗和帶外抑制較差。文獻(xiàn)[10]將基片集成波導(dǎo)與互補(bǔ)分環(huán)諧振器組合，實(shí)現(xiàn)緊湊型濾波器組件，但其電路的設(shè)計(jì)尺寸較大。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一種頻率可調(diào)階梯阻抗諧振器(SIR)帶通濾波器,具有帶外抑制好及結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，但其插損和回波損耗較差。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)具有小型化，緊湊尺寸，低損耗和良好帶外抑制的帶通濾波器較難。

本文濾波器采用一對(duì)長(zhǎng)度為λ/4(λ為波長(zhǎng))的短路傳輸線來(lái)等效電容和電感[12]。通過(guò)引入馬刺線，利用源/負(fù)載耦合設(shè)計(jì)了一種具有低損耗、高帶外抑制的小型化帶通濾波器,在不增加電路尺寸的情況下可獲得更好的帶外抑制。通過(guò)HFSS 15.0仿真設(shè)計(jì)和實(shí)物加工測(cè)試，對(duì)該濾波器進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 馬刺線結(jié)構(gòu)理論分析

1.1 馬刺線的基本結(jié)構(gòu)與特性

Bates最早提出馬刺線結(jié)構(gòu)，其由一個(gè)L形狹槽嵌入到微帶線構(gòu)成(見(jiàn)圖1)，常用于微帶傳輸線。馬刺線部分具有緊湊特性和良好的帶外抑制性能[13]，并能簡(jiǎn)單地嵌入到濾波器、耦合器和其他器件的微帶傳輸線中[14]，無(wú)需增加貼片尺寸。圖1用3個(gè)參數(shù)描述該結(jié)構(gòu):s為槽寬,l為槽長(zhǎng)，b為槽高。

圖1 馬刺線結(jié)構(gòu)示意圖

與傳統(tǒng)的分流短截線和耦合濾波器相比，馬刺線濾波器輻射減少。加入馬刺線結(jié)構(gòu)的濾波器，其尺寸增加不明顯，更易形成小型化。

1.2 馬刺線的等效電路

根據(jù)耦合線理論與奇偶模分析方法, Bates提出了馬刺線結(jié)構(gòu)的等效電路，并給出了該等效電路的推導(dǎo)過(guò)程。一般該插槽的間隙(只有末端)提供了容性效應(yīng)，而槽長(zhǎng)度提供電感效應(yīng)。

圖2為平行雙線耦合結(jié)構(gòu)圖。圖中，Zoo,Zoe分別為用奇偶模分析耦合線電路模型得到的奇模特性阻抗和偶模特性阻抗。當(dāng)兩根傳輸線相互靠近時(shí)，它們之間的電磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生耦合反應(yīng)。從平行雙線耦合結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性可以計(jì)算得到其阻抗陣元式為

(1)

圖2 平行雙線耦合結(jié)構(gòu)的電路圖

圖3為一個(gè)馬刺線的耦合線網(wǎng)絡(luò)。圖中，L為電感；Cend為馬刺線末端的不連續(xù)性電容, 其作用是增加馬刺線的有效長(zhǎng)度。根據(jù)平行耦合線的阻抗矩陣式(1),得到圖3中短路馬刺線結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移矩陣陣元式[15]為

(2)

圖3 馬刺線結(jié)構(gòu)的電路模型

由式(2)級(jí)聯(lián)得到馬刺線的等效電路如圖4(a)所示。

圖4 馬刺線的等效電路及結(jié)構(gòu)傳輸線型等效電路

圖4(a)中：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中vpe、vpo分別為偶模和奇模的相速度。當(dāng)l=vpe/(4f)時(shí)，短路串聯(lián)短截線的阻抗為無(wú)窮大，相當(dāng)于一個(gè)帶阻濾波器；當(dāng)l=vpo/(2f)時(shí)，其阻抗為0，相當(dāng)于一個(gè)帶通濾波器。假設(shè)耦合微帶線上的奇模和偶模的相速度相等, 考慮其中的微帶不連續(xù)性影響，利用Kuroda變換，電路可用一段特性阻抗為Z′1的開(kāi)路支節(jié)傳輸線和一段特性阻抗為Z′2的主傳輸線表示, 如圖4(b)所示。其中，Z′1和Z′2為

θ=θe=θo

(7)

(8)

(9)

圖5為基于LCR電路元件的馬刺線部分的等效電路。輻射效應(yīng)和損耗通過(guò)電阻R表示?；趥鬏斁€理論和譜域方法[16]，電路中電阻R、電容C及電感L分別為

R=2Z0(1/|S21|-1)|f=f0

(10)

(11)

(12)

式中：Z0為傳輸線50 Ω特性阻抗；f0為諧振頻率；S21為插入損耗；Δf為S21的-3 dB帶寬。

圖5 馬刺線的等效電路模型

2 濾波器設(shè)計(jì)

基于上述的馬刺線理論，結(jié)合一對(duì)λ/4諧振器，本文設(shè)計(jì)了一種具有多個(gè)傳輸零點(diǎn)、低插損和高帶外抑制的小型化帶通濾波器。濾波器設(shè)計(jì)在相對(duì)介電常數(shù)εr=2.65、厚h=1.0 mm的介質(zhì)基板上，阻抗匹配設(shè)置為50 Ω。通過(guò)HFSS 15.0仿真設(shè)計(jì)及優(yōu)化處理，提出的帶通濾波器拓?fù)鋱D如圖6所示。所選濾波器的尺寸參數(shù)如表1所示。

圖6 所設(shè)計(jì)的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

表1 所選濾波器的尺寸參數(shù) mm

本文所設(shè)計(jì)的小型化帶通濾波器中，由長(zhǎng)度L1和寬度W1表示的一對(duì)耦合λ/4諧振器被間距S2隔開(kāi)，并與相隔間距S3的饋線耦合，每個(gè)λ/4諧振器上的短路過(guò)孔直徑為D。所用馬刺線的槽寬W2、槽長(zhǎng)L2和槽高L3。

選取切比雪夫低通原型濾波器的集總參數(shù)元件值為g0=1,g1=0.843 1,g2=0.622,g3=1.355 4，分別計(jì)算可得耦合系數(shù)M12=0.055，外部品質(zhì)因數(shù)Qe=20.07[17]，通過(guò)調(diào)整S3和S2可得到適當(dāng)?shù)腝e和M12。圖7為使用商用仿真器HFSS繪制的M12與S2的關(guān)系。隨著S2的增大，M12減小，導(dǎo)致耦合強(qiáng)度降低，當(dāng)S2=0.31 mm時(shí)，M12=0.055。

圖7 M12與S2的關(guān)系

在HFSS中分別建立了未加入馬刺線和加入馬刺線的模型。對(duì)二者分別進(jìn)行仿真優(yōu)化，結(jié)果如圖8所示。

圖8 加入馬刺線前后S11、S21參數(shù)

對(duì)比圖8(a)、(b)可知，引入馬刺線后，濾波器的回波損耗由11 dB變?yōu)?5 dB，插入損耗由0.55 dB降到0.18 dB，且由于馬刺線結(jié)構(gòu)具有帶阻特性，在2.85 GHz處新引入一個(gè)傳輸零點(diǎn)，使濾波器的遠(yuǎn)端由-20 dB降到-36 dB。高頻段的零點(diǎn)位置主要與馬刺線的槽長(zhǎng)度L2有關(guān)。由于引入傳輸零點(diǎn)的品質(zhì)因數(shù)較高，不會(huì)影響濾波器的通帶性能，因此，引入的傳輸零點(diǎn)可顯著提高上阻帶抑制，但不會(huì)對(duì)通帶性能造成影響，濾波器性能得到明顯改善。

圖9 不同S1下S11參數(shù)

進(jìn)一步優(yōu)化傳輸線的耦合間距，通過(guò)調(diào)整控制饋線耦合強(qiáng)度參數(shù)S1可改變回波損耗。圖9為不同S1下S11參數(shù)。在一定范圍內(nèi)，隨著S1變大，通帶區(qū)域的回波損耗變好，但當(dāng)S1>0.6 mm時(shí)，回波損耗變差。仿真發(fā)現(xiàn),當(dāng)S1=0.6 mm時(shí)，通帶內(nèi)的回波損耗優(yōu)于40 dB，故最終選取S1=0.6 mm。

圖10為該帶通濾波器的最終電磁仿真結(jié)果。由圖可看出，中心頻率為2.12 GHz，工作帶寬為20%，回波損耗優(yōu)于43.5 dB，插入損耗小于0.2 dB，具有3個(gè)傳輸零點(diǎn)，帶外抑制小于38 dB，達(dá)到帶通濾波器的設(shè)計(jì)要求。

圖10 濾波器最終仿真結(jié)果

3 實(shí)物加工與測(cè)試

為驗(yàn)證上述分析，本文設(shè)計(jì)并制作了一款1～3 GHz的高抑制小型化帶通濾波器，實(shí)物如圖11所示，濾波器整體尺寸為29.2 mm×22.6 mm。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)該濾波器的實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比如圖12所示。由圖12可見(jiàn)，兩者的偏差是因?qū)嵨锏募庸ぞ仍斐?，?shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

圖11 濾波器實(shí)物圖

圖12 實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比

表2為本文濾波器與其他文獻(xiàn)濾波器性能的對(duì)比。由表可知，本文設(shè)計(jì)的濾波器具有低插損、高帶外抑制和小型化的良好性能。

表2 本文濾波器與文獻(xiàn)濾波器的對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出并分析了一種高抑制小型化帶通濾波器。對(duì)該濾波器進(jìn)行實(shí)物加工測(cè)試，測(cè)得仿真與實(shí)際結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方法的可行性。該濾波器的整體尺寸為29.2 mm×22.6 mm，滿(mǎn)足小型化的要求，且具有低損耗、高帶外抑制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊和易加工的優(yōu)點(diǎn)。