應用于WLAN&WiMAX的小型化SIR可調雙通帶濾波器

奐銳++羅杰

摘 要： 對傳統雙頻段耦合方案進行改進，提出一種新型雙通帶濾波器結構。該濾波器由兩個對稱階躍阻抗諧振器（SIRs）組成，通過調節SIR的電長度，可以得到中心頻率可調的通帶。為了驗證設計與分析的正確性，提出和設計了3個雙通帶濾波器。Ⅰ型濾波器兩個通帶的中心頻率分別為2.4 GHz和3.5 GHz，相對帶寬分別為5.8%和13.7%；Ⅱ型濾波器兩個通帶的中心頻率分別為3.5 GHz和5.2 GHz，相對帶寬分別為5.7%和9.2%；Ⅲ型濾波器兩個通帶的中心頻率分別為2.4 GHz和5.2 GHz，相對帶寬分別為6.3%和5.4%。Ⅰ型和Ⅱ型濾波器均適用于寬帶互通微波互聯接入（WiMAX）和無線局域網（WLAN）應用。Ⅲ型濾波器適用于雙頻WLAN應用。對所有濾波器進行加工與實測，測試結果與仿真結果吻合較好。

關鍵詞： 雙頻帶； 帶通濾波器； 階躍阻抗諧振器； 中心頻率可調通帶； WiMAX&WLAN

中圖分類號： TN713?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）17?0080?04

Miniaturization dual?passband filter with adjustable SIR applied in WLAN & WiMAX

HUAN Rui， LUO Jie

（Institute of Electromagnetic Field and Microwave， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract： A new structure of dual?passband filter is proposed by improving the traditional dual?band coupling scheme. The filter is composed of two symmetrical stepped impedance resonators （SIRs）. The passband with adjustable center?frequency is obtained by adjusting the electrical length of SIR. To verify the validity of design and analysis， three dual?passband filters have been proposed and designed. The center frequencies of two passbands of filter Ⅰ are 2.4 GHz and 3.5 GHz respectively， and the relative bandwidth are 5.8% and 13.7% respectively. The center frequencies of two passbands of filter Ⅱ are 3.5 GHz and 5.2 GHz respectively， and the relative bandwidth are 5.7% and 9.2% respectively. The center frequencies of two passbands of filter Ⅲ are 2.4 GHz and 5.2 GHz， and the relative bandwidth are 6.3% and 5.4% respectively. Filter Ⅰ and filter Ⅱ are suitable for the applications of worldwide interoperability for microwave access （WiMAX） and wireless local area networks （WLAN）. Filter Ⅲ is suitable for the application of dual?band WLAN. All filters were produced and tested. The testing performances show that the test results are identical with simulation results.

Keywords： dual?band； band?pass filter； stepped impedance resonator； adjustable center?frequency passband； WiMAX & WLAN

0 引 言

近年來，擁有良好通帶特性的高性能雙通帶濾波器越來越受到關注。與此同時，許多研究人員對應用于無線通信中采用不同SIR結構的雙通帶微帶帶通濾波器有著濃厚的興趣，尤其是應用于寬帶互通微波互聯接入（WiMAX）和無線局域網（WLAN）（IEEE?802.11 a/b/g）的類型[1]。

本文通過改進傳統雙頻段耦合方案，提出了一種新型簡單的雙帶通濾波器結構。濾波器由兩個對稱的階躍阻抗諧振器（SIRs）構成，通過調整SIR的電長度，就可以得到中心頻率可調的通帶。最后，所有濾波器進行加工實測，測試的通帶中心頻率包含了用于WLAN和WiMAX的2.4 GHz，3.5 GHz和5.2 GHz頻段，且測試結果與仿真結果吻合較好。

1 雙通帶濾波器的分析

圖1給出了傳統的均勻諧振器和本文SIR結構的比較。本文提出的濾波器結構由兩個對稱階躍阻抗諧振器（SIRs）組成，該諧振器的半波長微帶結構如圖2（a）所示，作為比較，其基本結構如圖2（b）所示。

圖2（b）中，中間段電長度（2θ1）較長，阻抗（2Z1）較低；另外，兩端電長度（θ2）相對較短，阻抗比較高，其阻抗比[2]可以定義為[K=Z2Z1=Y1Y2>1，]θT>π。從開口端看過去的導納[3][Yin]為：

[Yin=jY2?2（Ktanθ1+tanθ2）?（K-tanθ1?tanθ2）K（1-tan2θ1）?（1-tan2θ2）-2（1+K2）?tanθ1?tanθ2] （1）

諧振條件為：

[Yin=0] （2）

由式（1），式（2）可以將基本諧振條件表示為：

[K=tanθ1?tanθ2] （3）

實際運用中，優先選擇[θ1=θ2=θ，]因為可以大幅度簡化設計方程，于是式（1）可以表示為：

[Yin=jY2?2（1+K）?（K-tan2θ）?tanθK-2（1+K+K2）?tan2θ+tan4θ] （4）

選定基頻[fm1]以及相應的電長度[θ1，]可得諧振條件為：

[tan2θ1=K 或 θ1=arctanK] （5）

選擇寄生諧振頻率[fm2]以及對應的電長度[θ2，][θ3，]可以由式（2）和式（4）得到：

[tanθ2=∞] （6）

然后得到：

[fm2fm1=θ2θ1=π2arctanK] （7）

由式（7）可以明顯看出寄生響應可由特性阻抗比[K]控制。所以通過調節電長度[θ1]和[θ2]的大小，改變[K=Z2Z1]得到想要的通帶。

最后，得到如圖3（a）所示的濾波器結構設計版圖，圖3（b），圖3（c）和圖3（d）三幅圖片為制作加工的濾波器實物，其通帶中心頻率分別為2.4 GHz/3.5 GHz，3.5 GHz/5.2 GHz和2.4 GHz/5.2 GHz。調節電長度[θ1，][θ2]和[θ3，]即調節[L1，][L2，][L3]的長度，可以得到適用于WLAN以及WiMAX中心頻率可調的通帶。

在圖4中，給出了不同[L1，][L2]和[L3]長度的雙通帶濾波器的弱耦合分析。當固定[L2]和[L3]的長度時，改變[L1]的長度，發現第一通帶和第二通帶發生明顯的移動，且第二通帶比第一通帶移動得更快。[L2，][L3]也有同樣的情況，因此可以改變[L1，][L2，][L3]的長度或者其他參數實現通帶中心頻率的可調性。

2 仿真和測量結果

基于有限元法的3D電磁仿真軟件對本文所提出的雙通帶濾波器結構進行了仿真。通過仿真和優化，得到了良好的濾波性能，濾波器的結構尺寸如表1所示。

濾波器的測試使用的是安捷倫E5071C網絡分析儀，圖5（a）所示為Ⅰ型濾波器的測試圖，頻率范圍從0.01～5 GHz。圖5（b）給出了Ⅰ型濾波器的測試結果與仿真結果的比較。測試結果中兩個通帶的中心頻率分別為2.4 GHz和3.5 GHz，且兩個通帶的3 dB帶寬分別為2.31～2.45 GHz 和3.29～3.77 GHz，3 dB相對帶寬分別為5.8%和13.7%。在通帶中，最小插入損耗分別為1.8 dB和0.9 dB，最小回波損耗分別為18 dB和20 dB，TZ1，TZ2，TZ3和TZ4 分別代表傳輸零點，表明阻帶與通帶的隔離，分別為50 dB，56 dB，54 dB，33 dB。很明顯，測試結果與理論仿真結果吻合良好。

圖6（a）所示為Ⅱ型濾波器的測試圖，頻率范圍為0.01～7 GHz。圖6（b）給出了Ⅱ型濾波器的測試結果與仿真結果的比較。測試結果中兩個通帶的中心頻率分別為3.5 GHz和5.2 GHz，且兩個通帶的3 dB帶寬分別為3.39～3.59 GHz和4.98～5.46 GHz，3 dB相對帶寬分別為5.7%和9.2%。在通帶中，最小插入損耗分別為1.9 dB和1.3 dB，最小回波損耗分別為28 dB和29 dB，TZ1，TZ2，TZ3和 TZ4 分別代表傳輸零點，表明阻帶與通帶的隔離分別為58 dB，50 dB，69 dB，37 dB。很明顯，測試結果與理論仿真結果吻合良好。

圖7（a）所示為Ⅲ型濾波器的測試圖，頻率范圍為0.01～7 GHz。圖7（b）給出了Ⅲ型濾波器的測試結果與仿真結果的比較。測試結果中兩個通帶的中心頻率分別為2.4 GHz和5.2 GHz，且兩個通帶的3 dB帶寬分別為2.32～2.47 GHz 和5.04～5.32 GHz，3 dB相對帶寬分別為6.3%和5.4%。在通帶中，最小插入損耗分別為1.5 dB和2.3 dB，最小回波損耗分別為22 dB和25 dB，TZ1，TZ2，TZ3和 TZ4 分別代表傳輸零點，表明阻帶與通帶的隔離分別為70 dB，51 dB，59 dB，32 dB。很明顯，測試結果與理論仿真結果吻合良好。

為了與之前的調研相比較，總結了一些雙通帶濾波器性能特性，如表2所示。在表2中，[f1，][f2]分別代表第一和第二通帶的中心頻率；IL1，IL2分別代表第一和第二通帶的最小插入損耗；RL1，RL2分別代表第一和第二通帶的最小回波損耗；API為相鄰通帶隔離度；[λg]為第一通帶中心頻率的導波波長。

從表2中可以得到，本文所提出的三種雙頻帶濾波器在某種程度上比先前的濾波器性能更好，例如插入損耗，回波損耗和相鄰通帶隔離度。此外，盡管使用了相對介電常數較低的基板，濾波器的尺寸也相對較小。

3 結 論

本文通過對稱階躍阻抗諧振器（SIRs）實現濾波器雙通帶性能。通過調節SIRs的電長度，可以得到中心頻率可調的通帶。最后，加工制作了3個濾波器，通帶中心頻率分別為2.4 GHz/3.5 GHz，3.5 GHz/5.2 GHz和2.4 GHz/5.2 GHz，適用于WLAN和WiMAX頻段，且測試結果與理論仿真結果吻合良好。結果表明，該類型濾波器不僅在插入損耗、回波損耗、相鄰通帶隔離度上具有優勢，而且有著小型的尺寸。由于結構簡單，體積小，而且有著良好的通帶性能，本文提出的濾波器在無線通信領域有著一定的工程應用價值。

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