基于多模諧振加載支節(jié)的小型化雙通帶濾波器設(shè)計

蘇光杰 李 紅 陳富倉

(廣東省佛山市健博通天線有限公司 廣東省佛山 528061)

1 引言

在目前的通信領(lǐng)域中，系統(tǒng)常常工作在多個頻段，例如在WLAN中，很多設(shè)備要同時支持2.4GHz頻段與5.5GHz頻段的同時接入，因此相應(yīng)的需要雙頻濾波器以實現(xiàn)系統(tǒng)小型化［1］。針對這一需求，人們提出了很多雙頻濾波器的設(shè)計方法，但大致上可以分為兩種實現(xiàn)方式，一是將兩套諧振器并聯(lián)共用輸入輸出端，實際上也就是將兩個獨立的濾波器的輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)共用［2，3］，因此，濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸難以充分壓縮。另外一種方法是使用一個諧振器，并通過巧妙的設(shè)計使此諧振器的諧振頻率可以精確的控制，進而使其諧振到所需的兩個或多個諧振頻率上［4～9］。這種濾波器的典型例子是階梯阻抗諧振器與支節(jié)加載諧振器。最近，因為其諧振頻率更容易控制，支節(jié)加載諧振器在雙頻乃至多頻濾波器中獲得了更為廣泛的應(yīng)用。然而，目前所報道的幾種使用支節(jié)加載技術(shù)的雙頻濾波器使用的是在同一點加載的技術(shù)，因此，一個諧振器在通帶附近只能形成一個傳輸零點。

在文獻［10，11］中，有些超寬帶(UWB)濾波器使用多模諧振器(MMR)技術(shù)。基于文獻介紹的多模諧振技術(shù)，本文使用了3個諧振支節(jié)，如圖1所示，兩邊的支節(jié)相對中間支節(jié)對稱分布。使用這種技術(shù)，可以額外獲得一個自由度以控制前4個諧振模式，同時，通過合理設(shè)計輸入端的耦合結(jié)構(gòu)可以提供可調(diào)的傳輸零點以提高濾波器的帶外抑制特性［12］。基于上述技術(shù)，設(shè)計了一個工作于WLAN頻段的雙頻濾波器，并進行了仿真驗證與實際測試。

2 雙頻濾波器設(shè)計

如圖1所示，雙頻濾波器的MMR由三根開路支節(jié)構(gòu)成，兩邊的支節(jié)相對中間支節(jié)對稱分布，其長度分別記為LS1和 LS2。

圖1 濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖

首先研究MMR通過弱電容性耦合用50歐姆阻抗線饋電的情況。由MMR的對稱結(jié)構(gòu)易知，整個對稱結(jié)構(gòu)的對稱軸對奇模諧振模式來說，可以等效為電壁，也就是短路點，而對偶模來說，可以等效為磁壁，也就是開路點。因此，中心的加載支節(jié)將只影響奇諧振模式。這一規(guī)律可以通過仿真來驗證，不妨令其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變(Ls2=8.8 mm，L3=5.7 mm)，只改變中心支節(jié)的長度，使其 Ls1選擇18.5，19.5和20.5 mm 3種情況。如圖2所示，可見此時第1、3、4個諧振頻率基本保持不變，而只有第2個諧振點下移。由此，可以調(diào)整第2個諧振模式，使其與第1個諧振點一起形成雙頻帶通濾波器的第1個通帶。

圖2 僅LS1改變時濾波器的傳輸特性曲線

另外，兩邊的支節(jié)通過改變長度可以形成另外兩個自由度以調(diào)整上述4個諧振頻率的位置。如圖3所示，保持Ls1=19.5 mm，L3=5.7mm不變，使Ls2選擇8.3、8.8 and 9.3 mm 3種情況，可見第1諧振點略微下降，第3及第4諧振點則更顯著的向低頻靠近，而第2諧振點則基本保持不變。如圖4所示，保持Ls1=19.5 mm，Ls2=8.8 mm，讓 L3選擇5.2、5.7和6.2 mm時，第一諧振點略向低端移動，而第3、4諧振點則向高端移動。因此，調(diào)整兩邊的支節(jié)，可以控制雙頻諧振器的第2個通帶。

由上述分析可知，使用這一MMR結(jié)構(gòu)，可在兩個通帶內(nèi)各產(chǎn)生兩個傳輸極點。因此，如果通過合理的設(shè)計饋電部分的耦合，可以增加兩個頻段上的傳輸特性，從而形成雙頻帶通響應(yīng)。同時，由于整個濾波器中使用了多根傳輸線，其傳輸線間的耦合，可產(chǎn)生傳輸零點，從而增加帶外抑制。

3 測試結(jié)果

經(jīng)過上述設(shè)計過程，在介電常數(shù)為εr=2.55，損耗角正切為tanδ=0.0029，厚度h=0.8 mm的聚四氟乙烯基片上實現(xiàn)了上述設(shè)計。此雙頻濾波器的設(shè)計目標(biāo)是工作頻段為f1=2.4 GHz，f2=5.2 GHz，兩個頻段的相對帶寬都是2%。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后獲得的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為(參見圖1):L1=7.5 mm，L2=2.9 mm，L3=5.7 mm，Ls1=20.5 mm，Ls2=8.8 mm，W1=1 mm，W2=0.5 mm，Lf1=10 mm，Lf2=0.8 mm，S1=S2=0.2 mm。為減小其尺寸，中心加載支節(jié)作了適當(dāng)彎曲，最后實現(xiàn)的濾波器尺寸為26mm×14mm，相當(dāng)于 2.4GHz上的 0.3λg×0.16λg，λg為2.4GHz在此基片上50Ω微帶線的線上波長。可見，此濾波器很好的實現(xiàn)了小型化設(shè)計。最終濾波器的照片如圖5所示。

圖5 濾波器的照片

圖6 顯示了此濾波器仿真與實測的響應(yīng)曲線。從測試曲線中可看到，在其兩個通帶之間，有3個傳輸零點產(chǎn)生，這大大提升了濾波器的帶外抑制性能。同時可見，其仿真的3dB帶寬在2.4GHz頻段為2.34～2.5GHz，在 5.2GHz頻段為 5.13 ～5.3GHz。實測帶寬比仿真結(jié)果略寬，這可能是因為加工誤差所致。而兩個通帶內(nèi)的插損分別是1.2dB和1.9dB，這在雙頻濾波器中屬于較好的指標(biāo)。

圖6 濾波器的仿真與實測結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了用加載支節(jié)多模諧振器設(shè)計雙頻濾波器的設(shè)計方法，此諧振器作了原理上的分析，給出了此種濾波器的設(shè)計準(zhǔn)則，并實際設(shè)計制作了一個工作在WLAN頻段的雙頻濾波器。仿真與實驗結(jié)果吻合良好，證明的此設(shè)計方法的有效性。所設(shè)計的濾波器，具備帶外抑制較好，且結(jié)構(gòu)上具備小型化特點。

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