一種小型化交叉耦合微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)

楊新宇

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

在現(xiàn)代無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展下，頻譜資源顯得越發(fā)擁擠、終端系統(tǒng)也呈現(xiàn)小型化趨勢。這使得對射頻前端系統(tǒng)的小型化、集成化提出了新的要求。而濾波器作為具有選頻功能的器件，一直是無線通信系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分[1]。其尺寸直接影響整機(jī)的大小，是否具備較好的選擇性則直接正比于能否以更高效率利用頻譜。這就對濾波器的尺寸與性能提出了新的要求，需要在尺寸小的同時(shí)保持良好的性能。

基于此，如何設(shè)計(jì)具備小尺寸，同時(shí)性能良好的濾波器成為了廣大學(xué)者關(guān)注的命題。交叉耦合通過非相鄰諧振器間進(jìn)行耦合，從而在帶外產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)以提升帶外性能。對此，通過引入交叉耦合并對濾波器版圖合理布局，設(shè)計(jì)了一款六階交叉耦合帶通濾波器。

通過各學(xué)者不斷地進(jìn)行研究開拓，在材料、工藝、結(jié)構(gòu)上均有突破。文獻(xiàn)[2-3]總結(jié)介紹了LTCC 技術(shù)、左手材料、雙通帶濾波器等，而在結(jié)構(gòu)上介紹了DGS 結(jié)構(gòu)（缺陷接地結(jié)構(gòu)）、Slow-Wave 結(jié)構(gòu)（慢波結(jié)構(gòu)）、分形結(jié)構(gòu)等。文獻(xiàn)[4]通過IPD（集成無源電路）工藝，在硅基上設(shè)計(jì)了一款小型S 波段帶通濾波器，尺寸為1.5 mm×1 mm。同樣是IPD 工藝，文獻(xiàn)[5]則通過構(gòu)建集總參數(shù)的方式在GaAs 基底上設(shè)計(jì)了一款5G 頻段的帶通濾波器，其尺寸為1.2 mm×0.9 mm。文獻(xiàn)[6-7]通過合理對濾波器版圖布局的方式，設(shè)計(jì)了兩款Ku 頻段的小型化濾波器，其中Ku 頻段梳狀線形式的濾波器尺寸為2.4 mm×2.1 mm，Ku頻段發(fā)夾型濾波器尺寸則為2.6 mm×2.5 mm。文獻(xiàn)[8]提出了一種混合電磁交叉耦合結(jié)構(gòu)，在三階交叉耦合濾波器中能夠多獲取一個(gè)帶外零點(diǎn)，以此來提升濾波器帶外性能。而在文獻(xiàn)[9]中則對交叉耦合帶通濾波器從損耗分析、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行了優(yōu)化研究。

對交叉耦合濾波器的設(shè)計(jì)之中，一般常見使用發(fā)夾、開口環(huán)、平行耦合線等以1 2 波長諧振的諧振器。在合理布局上，如文獻(xiàn)[5-6]主要對四階及以下濾波器進(jìn)行布局，無法滿足較高的帶外特性要求。同時(shí)，微帶線型濾波器具備尺寸小、重量輕、成本低、適應(yīng)性好等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用范圍最廣的濾波器[10]?；诖耍罱K通過引入接地孔接地的方式構(gòu)造1 4 波長諧振的微帶濾波器，對諧振器仔細(xì)分析并構(gòu)建布局，成功設(shè)計(jì)了一款小型化六階交叉耦合微帶帶通濾波器。為交叉耦合微帶帶通濾波器的小型化設(shè)計(jì)提供了新的驗(yàn)證思路。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

通過引入交叉耦合的方式能夠在帶外引入零點(diǎn)，提高濾波器的帶外性能。本文采取的六階耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中主信號流向?yàn)镾-1-2-3-4-5-6-L，副信號流向?yàn)镾-1-2-5-6-L。其中在2-5 間形成弱耦合，這使得兩條信號的路徑產(chǎn)生相位差，能夠產(chǎn)生一組可控的傳輸零點(diǎn)。

圖1 六階交叉耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

常規(guī)以開口環(huán)、發(fā)夾形式為諧振器構(gòu)造的六階交叉耦合濾波器，在諧振器大小、整體版圖布局上均有相應(yīng)的局限。如圖2 所示，為典型六階開口環(huán)型的交叉耦合電路結(jié)構(gòu)。其在諧振器上以1 2 波長諧振，同時(shí)在其構(gòu)成中，因其內(nèi)部空間較大而增加了版圖面積，而在1、6諧振器下方又沒有相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)，這使得整體版圖的空間利用率受到限制。對此，在典型六階開口環(huán)交叉耦合電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建小型化濾波器電路結(jié)構(gòu)，最終電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 典型六階開口環(huán)型交叉耦合電路結(jié)構(gòu)圖

圖3 小型化六階交叉耦合濾波器電路結(jié)構(gòu)圖

在諧振器的設(shè)計(jì)上，通過打孔金屬化接地的方式構(gòu)造了1 4 波長諧振的諧振器，形似一交指諧振器彎折成發(fā)夾的結(jié)構(gòu)，其長度相對于開口環(huán)減少了約1 2。同時(shí)在其布局上通過合理改變?yōu)V波器結(jié)構(gòu)的彎折方式，提高版圖空間的利用率。濾波器采用直接饋電的方式，這樣結(jié)構(gòu)簡單，饋電效果也極佳，但會帶來直連饋電線的首尾諧振器諧振頻率的改變，為使各濾波器處于同步調(diào)諧的情況，需調(diào)整1、6 諧振器的尺寸。

基于此，在1、6 諧振器中引入SIR 減小因直接饋電而帶來的尺寸變化。1 4 波長SIR 結(jié)構(gòu)如圖4 所示。在1、6 諧振器中，帶孔臂為高阻抗線，非帶孔臂則為低阻抗線，通過改變阻抗比來控制1、6 諧振器的諧振長度。1 4 波長SIR 結(jié)構(gòu)公式具體推導(dǎo)如文獻(xiàn)[11]所示，最終電長度與阻抗比的關(guān)系可表示為：

圖4 1 4 波長階梯阻抗諧振器結(jié)構(gòu)圖

在2、5 諧振器間會產(chǎn)生弱耦合，而弱耦合的耦合系數(shù)大小由耦合臂的耦合強(qiáng)度與S25間距共同作用。而在耦合臂耦合強(qiáng)度不變的情況下，耦合系數(shù)越小，S25間距越大，這使得濾波器所占面積較大。因此將2、5 諧振器中帶通孔臂尺寸縮小，而增加非帶通孔臂尺寸，從而減小兩帶通孔臂相應(yīng)的耦合強(qiáng)度。在固定的耦合系數(shù)下，耦合強(qiáng)度減小，則耦合間距S25相應(yīng)縮小，整體尺寸減小。

以兩組中心頻率均為10.6 GHz 的諧振器為例，當(dāng)其耦合系數(shù)為0.03 時(shí)，如圖5 所示，兩臂臂長相等的情況下，耦合間距為0.42 mm。如圖6 所示，當(dāng)非帶通孔臂比帶孔臂長0.3 mm 時(shí)，其耦合間距為0.24 mm。整體而言，使用臂長非相等結(jié)構(gòu)相較于臂長相等結(jié)構(gòu)，在耦合間距上減少了近40%，選用此結(jié)構(gòu)可以有效縮小濾波器尺寸。

圖5 臂長相等諧振器耦合系數(shù)與耦合間距關(guān)系

圖6 臂長非相等諧振器耦合系數(shù)與耦合間距關(guān)系

同時(shí)，基于1、2、5、6 諧振器的結(jié)構(gòu)，在3、4 耦合器中構(gòu)建臂間距較長，兩端臂長較短的諧振器，以此契合整體濾波器版圖布局，提高版圖空間利用率。

2 建模設(shè)計(jì)與仿真

六階交叉耦合微帶帶通濾波器的建模仿真使用電磁仿真軟件HFSS 完成。濾波器具體的理論設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[12]，建模仿真則參考文獻(xiàn)[13]。

設(shè)計(jì)指標(biāo)：中心頻率為10.6 GHz，通帶范圍為10.2 ～11 GHz，相對帶寬比約7.5%，中心插損≤3.5 dB，12 GHz帶外抑制≥55 dB，回波損耗在通帶內(nèi)小于10 dB。采用99.6% 氧化鋁作為板材，其介電常數(shù)為9.8，厚度為0.254 mm，并采用50 Ω 抽頭線直接饋電。根據(jù)指標(biāo)需求，需要將右端零點(diǎn)控制在12 GHz 左右，能夠較好地滿足指標(biāo)需求?；诖?，通過Couplefil 計(jì)算其耦合系數(shù)矩陣，最終得到M1,2=M5,6=0.071、M2,3=M4,5=0.051 4、M3,4=0.05、M2,5=-0.002，外部品質(zhì)因數(shù)Q=11.812。

通過電磁仿真軟件HFSS 設(shè)計(jì)并優(yōu)化六階交叉耦合微帶帶通濾波器，最終設(shè)計(jì)的濾波器建模如圖7 所示，其相應(yīng)的性能參數(shù)如圖8 所示，濾波器通帶內(nèi)插損≤3.5 dB，中心插損為1.67 dB，帶內(nèi)回波損耗≤10 dB。在12 GHz左右能清晰地看出所設(shè)計(jì)的傳輸零點(diǎn)，在12 GHz的抑制為-69.8 dB?？傮w而言，濾波器仿真參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 六階交叉耦合微帶帶通濾波器仿真建模

圖8 六階交叉耦合微帶帶通濾波器仿真參數(shù)

在仿真設(shè)計(jì)中，優(yōu)化是重要的環(huán)節(jié)之一。建模仿真中會引入理論設(shè)計(jì)外的因素，使得仿真值與設(shè)計(jì)值有所偏差。比如說，由于微帶線本身并非嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆忾]結(jié)構(gòu)，而是相對半開放的結(jié)構(gòu)，其實(shí)際為非標(biāo)準(zhǔn)TEM 波型。這使得耦合系數(shù)、耦合矩陣都有所偏差，最終設(shè)計(jì)中實(shí)際建模的耦合系數(shù)、饋電位置均需要在全波仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，饋電線的使用也會引入額外的交叉耦合，使得耦合系數(shù)、傳輸零點(diǎn)均有所偏差。

因此，為了更好地滿足設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化仿真是不可或缺的一部分。

3 分析與測試結(jié)果

濾波器實(shí)物照片如圖9 所示，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試，最終結(jié)果如圖10 所示。dB（S（1,1））、dB（S（2,1））為仿真曲線，dB（S（3,3））、dB（S（4,3））為實(shí)測曲線。由圖10 可知，實(shí)測曲線在10.2～11 GHz 帶內(nèi)插損≤3.5 dB，且在中心頻率為10.6 GHz 時(shí)插損為2.496 dB。而帶外零點(diǎn)基本位于設(shè)計(jì)值12 GHz 左右，在12 GHz 時(shí)帶外抑制為67.8 dB。測試表明，濾波器符合指標(biāo)要求，實(shí)測曲線與仿真曲線基本保持一致。

圖9 濾波器實(shí)物照片

圖10 仿真性能曲線與實(shí)測性能曲線對比

4 結(jié) 語

相較于常見1 2 波長諧振開口環(huán)構(gòu)建的六階交叉耦合結(jié)果，本文通過打孔金屬化接地構(gòu)建了1 4 波長諧振的交叉耦合結(jié)構(gòu)，縮短了整體諧振器的尺寸。通過對濾波器版圖的合理布局，提高了整體版圖的空間利用率，濾波器尺寸更占優(yōu)勢。最終仿真并測試了一款中心頻率在10.6 GHz、帶寬為800 MHz 的交叉耦合微帶帶通濾波器，測試結(jié)果表明，性能曲線與仿真曲線相仿，符合設(shè)計(jì)要求。最終實(shí)現(xiàn)了一款小型化交叉耦合微帶帶通濾波器，其尺寸僅為0.45λg×0.29λg。