多傳輸零點的新型五通帶多模濾波器

龐豆豆，熊 陽，何 明,2，季 魯，張金利

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多傳輸零點的新型五通帶多模濾波器

龐豆豆1，熊 陽1，何 明1,2，季 魯1，張金利1

（1. 南開大學 電子信息與光學工程學院，天津 300350；2. 天津市光電傳感器與傳感網絡技術重點實驗室，天津 300350）

針對目前多模濾波器通帶數量以及通帶選擇性有待提高的問題，提出一款新型的基于枝節加載諧振器的五通帶多模濾波器。該濾波器采用了一種新型的饋電和耦合方式，可以獨立控制外部品質因數和控制多數通帶的耦合系數。該濾波器不需要過孔，制作簡單。由于源-負載之間的耦合以及多徑傳輸效應的影響，產生了多個傳輸零點，提高了通帶的選擇性。進行了濾波器的設計，制作和測試，測試結果與仿真結果吻合，濾波器的五個中心頻率位于1.6，3，3.8，4.7，5.7 GHz，其相對帶寬分別為12.5%，11.7%，5.48%，8.51%，4.37%。

五通帶微波濾波器；多模濾波器；多傳輸零點；多徑傳輸；枝節加載諧振器；可控外部品質因數

在現代多功能無線通信系統中，多通帶微波濾波器是一個重要的部分，而多模多通帶微波濾波器的設計是實現濾波器小型化設計的關鍵技術。目前已經有很多雙通帶和三通帶多模濾波器的報道，但是關于五通帶及以上的多模濾波器的報道非常少，性能也需要進一步改善。利用微帶線設計多通帶濾波器的方法有以下幾種：1. 并聯多個單通帶濾波器來構成多通帶濾波器[1-3]，這種方法可以達到相對較高的通帶數量，其缺點在于占用體積過大；2. 利用多層介質結構來設計多通帶濾波器[4-5]，這種方法設計簡單，但是因為多層的介質導致結構復雜，對制作工藝有很高的要求；3. 利用多模諧振器來設計多通帶微波濾波器[6-12]，這種濾波器通常采用枝節加載和階躍阻抗諧振器來設計，擁有相對較小的尺寸，但是性能需要進一步提高，而且通常需要采用過孔，這給濾波器的制作增加了困難。

針對以上問題，本文提出了一款基于枝節加載諧振器的新型無過孔多模濾波器，這款濾波器包括兩個對稱放置的諧振器，每個諧振器由加載了三個枝節的半波長諧振器構成，文中提出了一種新型的饋電方法和耦合方式，可以獨立控制五個通帶的外部品質因數，通帶的耦合系數可以調節。由于源-負載之間的耦合以及多徑傳輸效應，多個傳輸零點形成于通帶周圍，零點的位置可以通過改變源和負載之間的耦合強度來調節。對濾波器進行了設計、仿真、制作和測試，測試結果證明了該濾波器的可行性。

1 濾波器分析與設計

1.1 諧振頻率

本文提出的五通帶濾波器的版圖如圖1(a)所示，濾波器主要包括兩個對稱放置的枝節加載諧振器，饋線源-負載耦合的引入是為了增加傳輸零點的個數，圖中包括了濾波器的長度和間距參量。圖1(b)所示為提出的多模諧振器的結構，這是一個均勻阻抗諧振器。諧振器的理想模型如圖1(c)所示，為了分析簡化，所有的特征阻抗都由0表示，也就是1=2=3=4=5=6=7=0，相應的特征導納為0=1/0。

圖1 (a)五通帶濾波器版圖；(b)諧振器結構圖；(c)諧振器的理想模型

諧振頻率由諧振條件m(in)=0決定，這里in是從圖1(c)中所示處看進去的輸入導納。諧振頻率的計算如下所示：

（2）

（3）

式中：θ(= 1, 2, …, 7)表示諧振器對應枝節的電長度。由如上所示的式(1)~(3)可以得出輸入導納in。

圖2(a)所示為輸入導納的虛部m(in)隨頻率的變化曲線，根據諧振條件m(in)=0可以觀察到五個諧振頻率，也就是p1，p2，p3，p4，p5，如圖2(a)所示。為了研究諧振頻率和枝節長度的關系，繪制了五幅曲線圖，如圖2(b)，(c)，(d)，(e)和(f)所示。整體來看，可以看到6主要影響第四個諧振頻率p4，但是對其他四個諧振頻率幾乎沒有影響；7主要影響第四個諧振頻率p4和第二個諧振頻率p2；4主要影響諧振頻率p4，p3和p2；2主要影響諧振頻率p5，p3和p2；1對p5，p3，p2和p1都有影響，但是對p4沒有影響。這樣通過調節枝節長度，五個諧振頻率可以得到控制。經過優化，諧振器的最終尺寸分別為1= 80.5°，2= 18.67°，3= 26.04°，4= 32°，5=17.26°，6= 24.16°，7= 38.75°。

1.2 外部品質因數和耦合系數

濾波器帶寬取決于外部品質因數和耦合系數，其中外部品質因數取決于饋線和諧振器之間的耦合，耦合系數取決于諧振器之間的耦合。對本文提出的濾波器來說，外部品質因數由15個參數決定，分別是饋線和諧振器間距1，2，3，4，5，6，7，8，9，10以及饋線與諧振器之間的耦合長度8，9，10，11，12；通帶內耦合系數由1，2，3，4決定。五個通帶的外部品質因數由不同的參數控制，是獨立可控的。為了證明這一點，作者采用參考文獻[1]中的方法，利用單端口群時延提取了五個通帶的外部品質因數，結果如圖3所示。為簡化分析過程，只選取了部分代表性的參數。

圖2 (a) Im(Yin)隨頻率的變化和五個諧振頻率fp1, fp2, fp3, fp4和fp5隨電長度(b) θ1, (c) θ2,(d) θ4,(e) θ6,(f) θ7的變化

圖3 外部品質因數隨(a)g1, (b)g7, (c)g10, (d)L9, (e)L11的變化

從圖3所示的外部品質因數隨不同參數的變化曲線圖可以看出，第一通帶的外部品質因數主要受1和10的影響；而10和11影響第二通帶；1，10，9和11影響第三通帶；7和10影響第四通帶；1，9和11影響第五通帶。五個通帶的外部品質因數分別由不同的參數決定，因此是獨立可控的。通過合理地調節饋線和諧振器之間的耦合，就可以控制五個通帶的外部品質因數，得到需要的值。

為了提高五個通帶耦合調節自由度，諧振器之間的耦合區域根據信號傳輸路徑被分成了四個區域。通過調節諧振器之間的四個耦合間距可以改變通帶內的耦合系數，得到合適的值。為了說明這一點，進行了仿真，結果如圖4所示。五個通帶的耦合系數由1,2,3,4控制。為了保證通帶內的良好性能，四個間距的變化范圍經過了合理的選取。四個耦合間距的原始值設置為1=0.8 mm,2=0.7 mm,3=0.5 mm,4=0.3 mm，當一個參數變化時，另外的參數保持不變。如圖4(a), 4(b), 4(c)和4(d)所示，第五通帶的帶寬主要由1控制，第四通帶的帶寬主要由4決定，與此同時，2對第一、三、五通帶都有影響，3對第二、三、四通帶都有影響，這說明提出的耦合方式能有效調節五個通帶的帶內耦合，從而得到需要的帶寬。

圖4 仿真結果S21隨(a)s1,(b)s2,(c)s3,(d)s4,(e)s5的變化

由于源和負載耦合的引入以及多徑傳輸效應的影響，可以得到十個傳輸零點，如圖4(e)所示。源和負載之間的耦合強度對傳輸零點的位置有顯著的影響，為了說明這種影響，在圖4(e)中繪制了插入損耗21與源-負載耦合強度關系的曲線圖。從圖中可以看出，隨著5的變小，即源-負載耦合強度增大，十個傳輸零點的位置分別向與之相鄰的通帶靠攏，使通帶選擇性增強。綜合考慮到通帶選擇性和通帶間隔離度，最終的耦合間距5被定為0.1 mm。

2 濾波器制作與測試

為了驗證濾波器的可行性，進行了濾波器的制作和測試。濾波器采用Rogers4003C作為基板，基板厚度0.508 mm，相對介電常數3.55，損耗角正切0.0027。經過仿真優化，設計的五通帶多模濾波器最終的尺寸（單位：mm）為：1=0.1，2=0.1，3=1，4=0.4，5=0.6，6=0.4，7=0.3，8=0.1，9=0.1，10=0.1，1=0.8，2=0.7，3=0.5，4=0.3，5=0.1，1=25.65，2=5.95，3=8.3，4=10.2，5=5.5，6=7.7，7=12.35，8=9.1，9=2.4，10=4.9，11=3.1，12=1.6，13=7.9，14=2.75，15=80.6，1=0.7，2=0.7，這里15是饋線的總長度。濾波器的尺寸為28 mm×37.6 mm，或者0.248g×0.332g，這里g是1.6 GHz處的被導波波長。本文濾波器由全波仿真軟件HFSS 13.0進行仿真，并利用安捷倫矢量網絡分析儀E5071C進行測量，仿真和測試結果對比圖以及濾波器的實物圖如圖5所示。

測得的五個中心頻率分別位于1.6，3，3.8，4.7，5.7 GHz，相對帶寬分別為12.5%，11.7%，5.48%，8.51%，4.37%；五個通帶的插入損耗分別為1.3，1.7，3.1，3.2，4.9 dB，所有通帶的回波損耗都優于22 dB，可以明顯觀察到位于1.2，1.8，2.5，3.2，3.7，4，4.3，5.2，5.6和6 GHz的十個傳輸零點，仿真和實物測試之間的差別主要是由導體損耗和制作誤差造成。表1將本工作與之前的多通帶濾波器進行了比較，表中CFs、TZs、RL和IL分別表示中心頻率、傳輸零點個數、回波損耗和插入損耗，從表中可以得出，本文提出的濾波器具有多傳輸零點和無過孔、制作簡單的優點。

(a) 仿真與測量結果 (b) 實物

表1 本工作與已有工作對比

Tab.1 Comparison with prior work

3 結論

提出了一款新型的無過孔的五通帶多模濾波器。該濾波器由兩個對稱放置的枝節加載濾波器構成，通過合適的饋電結構，可以激發多個諧振模式來形成所需要的通帶；該濾波器具有獨立可控的外部品質因數以及可控的耦合系數，由于源-負載之間的耦合以及多徑傳輸效應的影響，可以形成多對傳輸零點，使通帶選擇性得到加強；采用多模諧振器，相比于傳統單模設計方式，大大減小了濾波器體積。本文對提出的濾波器進行了分析、設計、仿真、制作和測試，結果證明了該濾波器的優越性能。

[1] HONG J S, LANCASTER M J. Microstrip filters for RF/microwave applications [M]. New York, USA: Wiley, 2001.

[2] CHEN C F. Design of a compact microstrip quint-band filter based on the tri-mode stub-loaded stepped-impedance resonators [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2012, 22(7): 357-359.

[3] TU W H, HSU K W. Design of sext-band bandpass filter and sextaplexer using semilumped resonators for system in a package [J]. IEEE Trans Compon Packg Manuf Technol, 2015, 5(2): 265-273.

[4] ZHANG G Q, CHEN J X, SHI J, et al. Design of multilayer balun filter with independently controllable dual passbands [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2015, 25(1): 10-12.

[5] HSU K W, HUNG W C, TU W H. Compact quint-band microstrip bandpass filter using double-layered substrate [C]//2013 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. NY, USA: IEEE, 2013: 1-4.

[6] AI J, ZHANG Y H, XU K D, et al. Miniaturized quint-band bandpass filter based on multi-mode resonator and/4 resonators with mixed electric and magnetic coupling [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2016, 26(5): 343-345.

[7] CHEN L, WEI F. Compact quad-and quint-band BPFs based on multimode stub loaded resonators [J]. Microwave Opt Technol Lett, 2015, 57(12): 2837-2841.

[8] GAO L, ZHANG X Y, ZHAO X L, et al. Novel compact quad-band bandpass filter with controllable frequencies and bandwidths [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2016, 26(6): 395-397.

[9] SONG F, ZHU L, WEI B, et al. Quad-band superconducting bandpass filter using quad-mode stub-loaded resonators with controllable frequencies and bandwidths [J]. IEEE Trans Appl Supercond, 2016, 26(6): 1-10.

[10] AI J, ZHANG Y H, XU K D, et al. Compact sext-band bandpass filter based on single multimode resonator with high band-to-band isolations [J]. Electron Lett, 2016, 52(9): 729-731.

[11] 王菲, 陳海華, 胡方靖, 等. 基于多模諧振器的三通帶濾波器的設計[J]. 電子元件與材料, 2017, 36(5): 72-76.

[12] LIN S C. Microstrip dual/quad-band filters with coupled lines and quasi-lumped impedance inverters based on parallel-path transmission [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2011, 59(8): 1937-1946.

（編輯：陳渝生）

New quint-band multimode filter with multiple transmission zeros

PANG Doudou1, XIONG Yang1, HE Ming1, 2, JI Lu1, ZHANG Jinli1

(1. College of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China; 2. Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Sensor and Sensing Network Technology, Tianjin 300350, China)

In order to increase the number of channels and improve passbands selectivity of multi-mode filter, a new quint-band multimode filter based on stub-loaded resonators was presented. A new type of feeding and coupling structure was employed in this filter, which could individually control external quality factors and couplings of several passbands. The filter possessed the merits of no via holes and easy fabrication. Because of the introduction of source-load coupling and multi-path transmission effect, multiple transmission zeros could be generated, and the selectivity was raised. The filter was designed, fabricated and measured, and the experimental results fit the simulated results well. The center frequencies of the filter are located at 1.6, 3, 3.8, 4.7 and 5.7 GHz, with the relative bandwidths of 12.5%, 11.7%, 5.48%, 8.51% and 4.37%.

quint-band microwave filter; multimode filter; multiple transmission zeros; multipath transmission; stub loaded resonator; controllable external quality factors

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.10.012

TN304

A

1001-2028（2017）10-0067-06

2017-08-30

何明

天津市應用基礎與前沿技術研究計劃資助項目（No. 15JCQNJC01300）

何明（1975－），男，湖南衡陽人，教授，研究方向為微波射頻通信，超導約瑟夫森結器件等，E-mail: heming@nankai.edu.cn ；龐豆豆（1993－），女，湖北天門人，研究生，研究方向為微波器件與超導電子學，E-mail: pangdd@mail.nankai.edu.cn 。

2017-09-27 10:59

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170927.1059.012.html