四分之一波長多模諧振的內嵌式三頻濾波器

楊 虹，肖 雄

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四分之一波長多模諧振的內嵌式三頻濾波器

楊 虹，肖 雄

（重慶郵電大學 光電工程學院，重慶 400065）

利用四分之一波長的多模諧振器（MMR），通過輸入輸出端共用短路過孔的方式，對高阻抗線進行部分彎折，分別設計了中心頻率為2.4，3.5，5.2 GHz的單頻濾波器。發現三款微帶濾波器具有相同的高阻抗線和低阻抗線寬度，在此基礎上，采用內嵌的方式設計了一款WLAN頻段（2.4，5.2 GHz）的雙頻濾波器和一款中心頻率為2.2，3.6，5.5 GHz的三頻段濾波器。三頻濾波器的尺寸為11 mm×9 mm，滿足小型化的要求。利用HFSS12軟件設計并仿真。結果表明，雙頻段和三頻段濾波器的11和21參數均達到標準，可適用于無線通信系統。

多模諧振器；內嵌式；三頻段；濾波器；小型化；無線通信系統

隨著信息技術的不斷發展與進步，無線通信系統的應用越來越廣泛，頻譜資源緊張的問題也日益嚴重，單一頻段的通信系統已經無法滿足通信發展的需求，因此，多頻段濾波器的研究已成為射頻器件研究領域的一個重要課題。同時，信息社會的發展，移動終端的便攜化和微型化已成為未來的趨勢，小型化的研究也一直是濾波器中的一個熱點。目前，國內外學者研究的重點是如何在保障各項性能的同時實現濾波器的小型化。常見的微帶濾波器小型化的方法有：采用彎折型諧振器、缺陷接地結構、分形結構和多模諧振器（Multi-Mode Resentor，MMR）。

而多模諧振器又因為插入損耗低、尺寸小、諧振模式多成為目前應用最廣泛的結構。常用的多模諧振器的實現方法有閉環諧振微擾法[1]、貼片諧振開槽法[2]、枝節加載法[3]。在目前的濾波器小型化研究中，一般采用的是半波長的SIR（Step Impedance Resonator，階躍阻抗諧振器）[4]，通過彎折、枝節加載或耦合其他諧振器的方式來實現小型化和多頻段，筆者主要探討利用多對四分之一波長SIR內嵌來實現濾波器的多頻段和小型化。

1 濾波器結構的設計

1.1 1/4波長MMR的設計

圖1為1/4波長SIR結構圖，其輸入阻抗in可以定義為：

1/4波長SIR諧振器的諧振條件是in=0，則

（2）

可以得到：

式中：in、in分別是輸入端阻抗、導納；1、2為阻抗線的電長度；z為阻抗比。由公式（2）~（3）可以得出SIR的階梯阻抗比。不難看出，SIR的三個自由度是電長度1、2和阻抗比z。相比均勻諧振器（Uniform Impedance Resonator，UIR），SIR多了一個自由度z。四分之一波長SIR的歸一化總電長度為：

（4）

圖1 1/4波長SIR結構圖

在圖1的四分之一波長SIR的基礎上，筆者利用一對1/4波長SIR對稱耦合設計了一款中心頻率為2.4 GHz的單一頻段濾波器，結構如圖2，輸入輸出端采用了共用短路過孔的方式，彎折了部分高阻抗線使濾波器尺寸更小，低阻抗線耦合形成信號傳輸路徑，同時在輸入和輸出端的饋線上采用階梯式的饋電結構，這種結構可以使濾波器在2.4 GHz的通帶外產生一個傳輸零點，提高通帶選擇性。

圖3、圖4是利用HFSS12對圖2的2.4 GHz濾波器進行仿真所得的11、21參數圖，結果顯示，2.4 GHz濾波器回波損耗優于25 dB，插入損耗為0.06 dB，相對帶寬330 MHz，證明設計的濾波器結構性能良好。

圖3 2.4 GHz濾波器的S11參數

圖4 2.4 GHz濾波器的S21參數

1.2 內嵌式雙頻濾波器設計

在圖2所示的濾波器結構的基礎上，調整濾波器結構高阻抗線和低阻抗線部分的長度，可以分別設計出中心頻率為3.5，5.2 GHz的單頻濾波器。三款濾波器的高阻抗線和低阻抗線具有相同的寬度，中心頻率的變化只與電長度有關。本文以此為思路，采用內嵌的方式，讓三個頻段的濾波器共用短路過孔和部分高阻抗線。首先設計了一款內嵌雙頻段濾波器來驗證設計的可行性，雙頻濾波器結構如圖5所示。

圖5 雙頻濾波器結構圖

本文設計的濾波器采用的介質基板為Rogers RT/duroid5880，相對介電常數為2.2，基板厚度為0.65 mm。選定阻抗比z為0.4，電長度1、2分別為52和17，利用ADS的微帶線計算工具計算出微帶線的長寬。兩個微帶線共用短路過孔和部分高阻抗線，在兩個頻段的低阻抗線之間分別耦合形成另外兩條信號傳輸路徑2和路徑3，不同路徑的信號在輸出端進行疊加，信號在某些頻率下如果出現幅度相同相位相反，則會產生傳輸零點，控制零點出現的頻率在通帶外，可以提高濾波器的選擇性[5-6]。

利用HFSS12對結構進行仿真，結果如圖6和圖7所示，從結果圖可以看出，該濾波器工作的中心頻率是2.4，5.2 GHz，在2.4 GHz頻段的帶寬為300 MHz，2.4 GHz的插入損耗小于0.5 dB，回波損耗較低（小于18 dB），矩形系數良好，滿足濾波要求；在5.2 GHz頻段的帶寬為360 MHz，中心頻率5.2 GHz的插入損耗（小于0.5 dB），回波損耗（小于18 dB）和矩形系數均滿足濾波要求。筆者設計的雙頻濾波器能夠工作在WLAN頻段并滿足基本的濾波要求（回波損耗小于10 dB，插入損耗小于3 dB）。

圖6 雙頻段濾波器仿真S11結果

圖7 雙頻段濾波器仿真S21結果

2 內嵌式三頻濾波器設計

在上文提出的雙頻濾波器的基礎上，將第三個頻段的濾波器內嵌到上文設計的雙頻濾波器上面，設計了一款三頻濾波器，結構如圖8所示，在5.2 GHz四分之一波長SIR和2.4 GHz四分之一SIR波長之間內嵌上3.5 GHz頻段的四分之一波長SIR，同樣采用輸入輸出端共用短路過孔和部分高阻抗線的方式，對濾波器的各個參數進行優化，最后設計出了一款尺寸為11 mm×9 mm的滿足LTE/WiMAX/ WLAN頻段要求的三頻濾波器。仿真結果的11和21參數分別如圖9和圖10所示。不難看出，本文設計的三頻濾波器的中心頻率為2.2，3.6，5.5 GHz，相對帶寬分別為390，110，290 MHz。2.2，3.6，5.5 GHz頻段的插入損耗情況良好，基本滿足要求(小于2 dB)；2.2 GHz頻段的回波損耗小于20 dB，3.6，5.5 GHz頻段的回波損耗有所增加，略小于15 dB，這是由于內嵌三個頻段的微帶線時，相當于三個微帶線并聯，會造成回波損耗的上升，但本文設計的濾波器回波損耗的結果依舊滿足無線通信的基本要求（小于10 dB）[7-8]。

圖9 三頻段濾波器仿真S11結果

圖10 三頻段濾波器仿真S21結果

3 結論

利用四分之一波長的SIR，在輸入輸出端共用短路過孔、低阻抗線之間耦合形成信號傳輸路徑的方法，采用內嵌的結構設計了一款滿足WLAN（2.4, 5.2 GHz）通信頻段要求的雙頻濾波器。利用仿真軟件HFSS12進行仿真驗證，仿真結果驗證了設計的正確性。然后，在設計的雙頻濾波器的基礎上，繼續采用內嵌的方式，在5.2 GHz和2.4 GHz的SIR之間內嵌上3.5 GHz頻段的微帶線，利用HFSS12對設計的結構參數進行仿真和優化，設計出了一款中心頻率在2.2，3.6，5.5 GHz的三頻濾波器，濾波頻段滿足無線通信系統中的LTE/WiMAX/WLAN頻段。

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（編輯：陳渝生）

Design of a tri-band filter with embedded structure based on 1/4 wavelength MMR

YANG Hong, XIAO Xiong

(College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

Using multi-mode resonator with 1/4 wavelength, through sharing short-circuit through hole of both input and output terminal together with bending high impedance line partly, single frequency filters with the center frequency of 2.4, 3.5, 5.2 GHz respectively were designed. It was found that these three filters have the same width in high impedance and low impedance line. Based on above results, using embedded method, a dual-band filter in WLAN band (2.4, 5.2 GHz) and a tri-band filter with three center frequencies of 2.2, 3.6, 5.5 GHz were further designed. To meet the requirement of miniaturization, the size of the tri-band filter is designed of 11 mm×9 mm. The simulation results with HFSS12 software show that the parameters of11and21both reach the standard concerned and the filters can be used in wireless communication system.

multi-mode resonator; embedded; tri-band; filter; miniaturization; wireless communication system

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.016

TN713

A

1001-2028（2017）05-0077-04

2017-02-04

楊虹

國家自然科學基金資助項目（No. 61102075）；模擬集成電路重點實驗室基金項目（No. 61428020115162802003）；重慶市重點產業共性關鍵技術創新專項項目（No. cstc2016zdcy-ztzx0038）

楊虹（1966－），男，四川蓬溪人，教授，研究方向為微電子材料與元器件等，E-mail: yanghong@cqupt.edu.cn ；肖雄（1992－），男，湖北天門人，研究生，研究方向為光電集成與射頻集成電路等，E-mail: 2431541350@qq.com。

網絡出版時間：2017-05-11 13:28

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1328.016.html