一種小型化射頻識(shí)別帶通濾波器

邱瞳勛　胡明哲

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)作為國(guó)家五大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展將使得人類(lèi)對(duì)信號(hào)/信息獲取、傳輸、處理和控制決策的能力得到巨大提升[1]。射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，在物流網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用。而對(duì)于微波頻段下的射頻識(shí)別技術(shù)，小尺寸、寬頻帶的微波濾波器技術(shù)又是其核心與關(guān)鍵。本文利用HFSS設(shè)計(jì)了一款具有彎折線(xiàn)凹凸環(huán)新型結(jié)構(gòu)的射頻識(shí)別帶通濾波器，通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)比一款傳統(tǒng)矩形環(huán)濾波器，證明了新型彎折線(xiàn)凹凸環(huán)濾波器具有小尺寸、低插損、耦合作用強(qiáng)且耦合寬度大等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；微帶帶通濾波器；HFSS；耦合系數(shù)

【分類(lèi)號(hào)】TN822

1引言

物聯(lián)網(wǎng)中的微波通訊系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)識(shí)別和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的關(guān)鍵，其對(duì)應(yīng)的通訊電路品質(zhì)好壞將直接關(guān)系到通訊質(zhì)量，而在這一進(jìn)程中微波濾波器的性能與小型化實(shí)現(xiàn)是其重點(diǎn)，它相當(dāng)于微波通訊系統(tǒng)的腎，對(duì)無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)起到過(guò)濾作用。

有關(guān)實(shí)現(xiàn)微波濾波器小型化的技術(shù)手段有多種，比如Jong-Silk Lim提出了缺陷接地結(jié)構(gòu)[2]，通過(guò)增加傳輸線(xiàn)電長(zhǎng)度來(lái)減小濾波器實(shí)際物理長(zhǎng)度。而本文主要將通過(guò)改變?yōu)V波器諧振腔結(jié)構(gòu)，引入寄生電容的方法，增加諧振腔之間的耦合長(zhǎng)度來(lái)達(dá)到實(shí)現(xiàn)濾波器小型化的目的。

2諧振腔耦合系數(shù)提取

對(duì)于耦合諧振式電路，諧振腔之間的耦合可分為電耦合、磁耦合和混合耦合[3]。圖1是同步調(diào)諧電耦合與磁耦合的集總元件等效電路，電路分布結(jié)構(gòu)近似窄帶。其中L和C分別為諧振單元的自電感和自電容，Cm為互電容，Lm為互電感。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)理論，可得圖2變形等效電路，其中電耦合和磁耦合分別用導(dǎo)納變換器和阻抗變換器來(lái)表示。

對(duì)電耦合，在中間插入電壁或磁壁，諧振頻率為：

電耦合系數(shù)為：

對(duì)磁耦合，在中間插入電壁或磁壁，諧振頻率為：

磁耦合系數(shù)為：

對(duì)混合耦合，其等效電路為前兩者的并聯(lián)形式，在中間插入電壁或磁壁，諧振頻率為：

混合耦合系數(shù)為：

3 微帶帶通濾波器

3.1 傳統(tǒng)矩形環(huán)帶通濾波器

傳統(tǒng)矩形環(huán)帶通濾波器設(shè)計(jì)一般根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)求出近似的矩形環(huán)長(zhǎng)、微帶線(xiàn)寬、耦合系數(shù)等參數(shù)后進(jìn)行仿真。通常只能通過(guò)調(diào)整諧振腔耦合間距、改變饋電位置結(jié)構(gòu)等方式去改善濾波器的性能，導(dǎo)致了設(shè)計(jì)自由度低、濾波器尺寸較大等問(wèn)題。

3.2 一種小型化射頻識(shí)別帶通濾波器

針對(duì)傳統(tǒng)矩形環(huán)帶通濾波器的不足，本文設(shè)計(jì)了一種易于與有源電路兼容，且適于RFID設(shè)備小型化和集成化發(fā)展趨勢(shì)的新型凹凸環(huán)彎折線(xiàn)帶通濾波器。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，我們選擇了介電常數(shù)為19.8的Ca0.95Mg0.05TiO3作為介質(zhì)基片材料，其在主頻2.45GHz下的介電損耗為10-5數(shù)量級(jí)，微帶饋電采用波端口，介質(zhì)基片底部設(shè)有金屬地，介質(zhì)基片上的金屬微帶線(xiàn)由凹環(huán)微帶諧振腔和凸環(huán)微帶諧振腔組成，微帶諧振腔下方分別設(shè)置有輸入微帶線(xiàn)和輸出微帶線(xiàn)，凹環(huán)微帶諧振腔與凸環(huán)微帶諧振腔所形成的兩個(gè)折角形狀位置及角度相互配合，折角形狀的折線(xiàn)與水平線(xiàn)之間的夾角θ為60°-85°，彎折角處引入寄生電容，縮短了半波諧振周長(zhǎng)，從而縮小了濾波器尺寸。微帶線(xiàn)寬度 L1為1.7-1.8mm，L2為0.9-1.1mm，尺寸為11.8×7.5mm，面積為88.5mm2。

仿真曲線(xiàn)選取了折角為85°的方案，如圖4所示，中心頻率為2.45GHz，3dB相對(duì)帶寬為4.09%，插損小于0.2dB，回波損耗大于20dB。同時(shí)，該濾波器由于源負(fù)載耦合增加了1個(gè)傳輸零點(diǎn)，提高了帶外抑制特性。在帶外±40MHz處，衰減大于20dB，可滿(mǎn)足一般用戶(hù)對(duì)指標(biāo)的要求。

3.3 對(duì)比傳統(tǒng)矩形環(huán)帶通濾波器

為了說(shuō)明新型凹凸環(huán)濾波器的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，我們通過(guò)設(shè)計(jì)一款傳統(tǒng)矩形環(huán)帶通濾波器來(lái)進(jìn)行對(duì)比。如圖5所示矩形環(huán)濾波器的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)與新型濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)完全相同，均采用相同尺寸大小和材料的介質(zhì)基片、輸入輸出微帶線(xiàn)、波端口和空氣層。

如圖6所示，所設(shè)計(jì)的矩形環(huán)帶通濾波器中心頻率為2.45GHz，3dB相對(duì)帶寬為3.62%，帶內(nèi)插損小于0.4dB，回波損耗大于20dB，尺寸為4.8×7.1mm，面積為105.08mm2。仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的新型凹凸環(huán)濾波器與傳統(tǒng)矩形環(huán)濾波器相比，面積減少了19.55 ，尺寸縮小了約15.8%且各項(xiàng)性能均小幅優(yōu)于傳統(tǒng)矩形環(huán)濾波器。

4 耦合系數(shù)對(duì)比

根據(jù)節(jié)3所述的諧振腔磁耦合系數(shù)提取方法，我們對(duì)兩款濾波器的兩個(gè)諧振腔從0.1mm至0.8mm的間距范圍進(jìn)行了耦合系數(shù)提取對(duì)比，具體結(jié)果如下：

耦合作用越強(qiáng)越有利于濾波器實(shí)現(xiàn)小型化，分析圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果，新型凹凸環(huán)濾波器在腔間距為0.79mm時(shí)，達(dá)到最大耦合系數(shù)約0.476，而傳統(tǒng)矩形環(huán)濾波器則在腔間距為0.48mm時(shí)，達(dá)到最大耦合系數(shù)約0.468，但矩形環(huán)濾波器在腔間距大于0.48mm時(shí)便失去了有效耦合作用，而凹凸環(huán)濾波器由于在彎折線(xiàn)處引入了寄生電容，增加了耦合長(zhǎng)度，提升了諧振腔間的耦合作用，所以其有效耦合間距比矩形環(huán)濾波器要長(zhǎng)將近0.31mm，在腔間距為0.79mm時(shí)才失去有效耦合作用。上述對(duì)比，從耦合作用大小的角度進(jìn)一步說(shuō)明了凹凸環(huán)濾波器的小型化優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的新型凹凸環(huán)射頻識(shí)別帶通濾波器，通過(guò)改變諧振腔的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了凹環(huán)腔與凸環(huán)腔的耦合，從整體結(jié)構(gòu)上縮小了濾波器的尺寸，同時(shí)耦合帶引入彎折線(xiàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增強(qiáng)了濾波器的耦合作用，所以與傳統(tǒng)矩形環(huán)濾波器相比不僅尺寸得到縮小，耦合作用也更強(qiáng)，同時(shí)具有與有源電路兼容的優(yōu)點(diǎn)，有效提高了在應(yīng)用中的濾波品質(zhì)，有較大的工程實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所編輯委員會(huì).自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)和需求分析[J].自動(dòng)化天地， 2011（9）： 6-7.

[2] Dal A.， Park，J.S.， Kim，C.S.， et al.A design of the low-pass filter using the novel microstrip defected ground structure. IEEE Trans.on Microwave Theory and Tech.， 2001，49 （1）：86-93.

[3] Palla G， Derenyi I， Farkas I， et al. Uncovering the Overlapping Community Structure of Complex Networks in Nature and Society [J].2005，435（7043）： 814-818.

作者簡(jiǎn)介：邱瞳勛（1989-），男，漢族，貴州貴陽(yáng)人， 貴州大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒉V波器設(shè)計(jì)仿真。