基于雙模諧振器的新型帶通濾波器

單偉

摘要 雙模濾波器具有體積小、重量輕且通道選擇性更好的優點，且微波濾波器具有加工簡單成本低的特點，滿足現代通信的需求。本文從這兩者的角度出發，在新型的中心短路枝節加載的雙端短路諧振器的基礎上，利用該款新型雙模諧振器三個短路點的等價性，將三個短路點結合在一起，并將諧振器加以折疊，實現濾波器的小型化。測試曲線表明該雙模濾波器與仿真結果基本吻合。本文設計的濾波器具有尺寸小、結構緊湊等優點，具有很好的實用價值。

【關鍵詞】雙模 帶通濾波器 諧振器

在無線通信應用中，濾波器是不可或缺的重要核心器件，常常被用來分離和組合不同的頻率，起著選擇信號的重要作用。濾波器可以主要分為腔體結構和平面結構，平面結構又可以劃分為微帶結構和共面波導結構。其中，微帶雙模濾波器由于其雙模諧振器等效于兩個諧振回路，尺寸與傳統單模結構相比減小一半，從而可以減小系統的體積和重量，在無線通信領域越來越受歡迎，正是這些優點使得雙模濾波器被廣泛研究。早期雙模諧振器主要用于腔體結構，尤其是波導結構中，隨著平面電路工藝的成熟，微帶結構雙模濾波器逐漸受到關注。

本文提出了一種新型的雙模帶通濾波器，該濾波器在新型的中心短路枝節加載的雙端短路諧振器的基礎上，并考慮到該款新型雙模諧振三個短路點是等價的，利用諧振器的結構特點，將三個短路點結合在一起，并將諧振器加以折疊，以實現濾波器的小型化。采用平行耦合微帶線（ParallelCoupledMicrostripLine，PCML）作為饋線提供外部耦合并引入了源和負載耦合，產生新的傳輸零點，更好實現通帶選擇性。

1 雙模濾波器設計

1.1 諧振器耦合結構

本文采用的諧振器結構如圖l（a）所示，該諧振器結構是基于短路枝節加載的雙端短路諧振器結構如圖l（b）所示。

由于短路枝節加載的雙端短路諧振器的三個短路點是等價的，將其結將其結合成一個短路點，該短路點由直徑為0.6mm的接地過孔實現。三個短路點合成一個短路點。諧振器結構的諧振特性并不會發生變化，這是因為在偶模諧振時，諧振器和短路枝節都參與了諧振，奇模諧振時，短路枝節上的電流為零，并沒有參與諧振，并沒有因為短路點之間的結合而影響到短路枝節的加載特性。最終再將諧振器加以折疊，以實現濾波器的小型化。諧振器最終優化尺寸如下：W1=7.58mm，W2=2.18mm，W3=1.3mm，W4=0.3mm，W5=1.009mm，W6=0.9mm，L1=6.7mm，L2=1.5mm，L3=4mm，L4=lmm，D=0.6mm。

1.2 外部耦合結構

本文采用輸入輸出耦合方式是基于平行線耦合結構，并在此基礎上進行了凹陷折疊的結構改進，其局部放大如圖2（a）所示，整體如圖2（b）所示。其關鍵幾何尺寸如下：W7=0.94mm，W8=0.5mm，W9=1.2mm，W10=1.4mm，Wll=1.3mm，W12=1.71mm，W13=9.5101mm，W14=0.2mm，L5=0.8mm，L6=lmm，L7=4mm，L8=3.8mm，L9=2mm，L10=1.1692mm，L11=0.8mm。

平行耦合微帶線（PCML）作為饋線提供外部耦合為了能實現較強的外部耦合。通過輸入輸出平行耦合線末端的相互耦合，引入了源和負載交叉耦合，從而引入傳輸零點，更好實現通帶選擇性。同時源和負載耦合的引入，不僅增強了通帶的選擇特性，而且還改善了帶內波紋特性。平行線耦合結構做出與諧振器相一致的凹陷折疊，不僅實現濾波器小型化，而且從直觀上可以看出，這種輸入輸出耦合結構可以提供更大的耦合調節自由度，另外，它還對濾波器的整體性能也有重要影響。

1.3 濾波器整體結構

基于以上考慮，本文采用的雙模帶通濾波器整體結構如圖3所示，濾波器的關鍵幾何結構尺寸詳見1.1節圖l（a），1.2節圖2（a）。

本文選用的介質為Rogers/duroi -d5880，相對介電常數為2.2，損耗角正切為0.0009。介質基片厚度0.254mm，微帶線厚度為0.017mm，單面電路，且接地面覆銅箔，銅箔厚度為0.017mm，小孔為金屬化過孔，孔徑為0.6mm。

濾波器的彎折布局在使整體結構緊湊的同時，也有利于引出源和負載間的容性交叉耦合，由于該諧振器上通帶內奇模和偶模間的差異本質上是由短路通孔的等效電感帶來的，因此容性的源和負載交叉耦合在通帶兩側引入一對傳輸零點，用于提高濾波器的頻率選擇性。

2 仿真與測試結果

圖4是按照1.3節基板材料和圖3的幾何尺寸加工的濾波器樣品照片。其主體面積為33mmX33.2mm，該結構具有緊湊，小型化等特點。

該濾波器樣品仿真與測量曲線結果對比如圖5所示，測量與仿真吻合較好，測試結果表明：濾波器通帶中心頻率為5.53GHz，其3dB帶寬為4.87GHz-6.19GHz，其3dB相對帶寬為23.87%，中心頻率處的插損為1.533 dB，通帶內的回波損耗大于lldB，兩個傳輸零點分別位于3.87GHz，6.87GHz。傳輸零點的引入有效的提高了通帶頻率內的選擇性。

3 結論

本文提出一種緊湊型新型雙模帶通濾波器，該元件基于新型中心短路枝節加載的雙端短路諧振器，由于該新型雙模諧振器三個短路點的等價性，將三個短路點結合在一起，由金屬化過孔接地，雙模諧振器加以折疊，實現濾波器的緊湊性與小型化。采用平行耦合微帶線作為饋線提供外部耦合，并引入了源和負載耦合，產生新的傳輸零點，更好實現通帶選擇性。經仿真與測試驗證，該濾波器具有較優的電性能，且結構緊湊，占地面積較小。

參考文獻

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