基于工字型雙模諧振器的雙階帶通濾波器設計

雷 濤,張 鐸,向天宇,周瑞山,朱曉維

(1.東南大學信息科學與工程學院,毫米波國家重點實驗室,江蘇南京 211189;2.中國振華集團云科電子有限公司,貴州貴陽 550018;3.貴州師范大學機械與電氣工程學院,貴州貴陽 550025)

射頻/微波濾波器是無線通信系統中射頻前端的關鍵器件,如何提高其帶外抑制度與選擇性是目前的主要研究方向之一。以發夾型、交指型和半開環結構為代表的級聯耦合與交叉耦合拓撲結構濾波器的綜合理論與設計方法已經十分成熟,此類濾波器帶外抑制與選擇性較好,但是尺寸較大,可實現帶寬有限,帶內插損較大。多模諧振器技術在寬帶、超寬帶、多頻帶的小型化濾波器設計方面具有很多優良的特性,但是目前絕大多數文獻關于平面多模濾波器的設計都是采用單諧振器結構,因此所設計的濾波器在帶外抑制度和選擇性方面的性能不高,限制了平面多模濾波器的應用范圍。

通過提高多模諧振器的階數可以有效提高多模濾波器的帶外抑制與選擇性[1-2]。Hong等[3]采用三角盤雙模諧振器實現了雙階雙模帶通濾波器,其低阻帶具有一個傳輸零點,高阻帶無傳輸零點,選擇性較差,尺寸也較大;Qiu等[4]基于相同的耦合拓撲,采用支節加載半波長諧振器,實現了具有優良選擇性與帶外抑制的濾波器;Cheng等[5]采用感性耦合四分之一波長階梯阻抗諧振器(SIR)設計了一款四階交叉耦合帶通濾波器,上下阻帶各有一個傳輸零點,實現了優良的帶外抑制與選擇性,并且利用四分之一波長階梯阻抗諧振器的雜散位于三倍頻的特性,有效增加了阻帶寬度;Ge等[6]提出一種四分之一波長諧振器和雙模諧振器混合構成的四階盒式結構的高選擇性帶通濾波器,相比傳統的四階盒式結構,其結構緊湊、設計簡單,低阻帶具有一個傳輸零點,帶外抑制大于40 dB。本文首次基于工字型雙模諧振器,采用雙階拓撲結構,實現了具有三個傳輸零點的帶通濾波器,濾波器結構緊湊,具有較好的選擇性與帶外抑制度。

1 工字型雙模諧振器分析

工字型雙模諧振器結構如圖1所示,由半波長開路諧振器與中間加載的T型支節組成,Y1、Y2、Y3為對應微帶線的特性導納,L1、L2、L3為對應微帶線的長度。由于諧振器結構對稱,因此采用奇偶模方法對諧振器的諧振特性進行分析,奇偶模等效電路如圖2所示,奇模輸入導納為:

圖1 工字型雙模諧振器結構Fig.1 Structure of I-shaped dual-mode resonator

圖2 奇偶模等效電路Fig.2 Odd-even mode equivalent circuit

θ1=βL1,是該微帶線的電長度。

偶模輸入導納為:

選擇合適的微帶線寬,使得Y1=1/2Y2=Y3時,(2)式簡化為:

式中:θ2=βL2,θ3=βL3是對應的微帶線的電長度。

根據諧振條件Yin=0,得到奇模與偶模諧振頻率分別為:

式中:c為真空中的光速;εeff為基板的有效介電常數。

在弱耦合條件下,諧振器諧振特性隨長度L3的變化如圖3所示,當L3尺寸較小時,feven＞fodd,隨著L3的增大,feven向低頻段移動。當L3進一步增大時,feven＜fodd,傳輸零點始終位于偶模諧振頻率一側。因此,該傳輸零點是與偶模有關的傳輸零點。

圖3 L3對雙模諧振器諧振特性的影響Fig.3 Simulated characteristics of the resonator with variedL3

理論分析與仿真實驗表明工字型雙模諧振器與常見的T型雙模諧振器、E型雙模諧振器均屬于開路支節加載的半波長雙模諧振器[7-8],三種雙模諧振器具有相同的諧振特性。奇模諧振頻率與中間加載的T型支節的尺寸無關,偶模諧振頻率隨T型支節尺寸的增加而降低。工字型雙模諧振器具有比T型雙模諧振器以及E型雙模諧振器更加緊湊的結構。

2 雙階雙模濾波器設計

本文設計的雙階雙模帶通濾波器結構如圖4所示,輸入/輸出(I/O)饋線、雙模諧振器之間均采用邊緣耦合的方式,濾波器結構對稱。其對應的耦合拓撲結構如圖5所示,濾波器具有兩個獨立的耦合路徑,諧振模式1與諧振模式3分別對應于雙模諧振器Ⅰ的偶模與奇模,諧振模式2與諧振模式4分別對應于雙模諧振器Ⅱ的偶模與奇模。介質基板采用Rogers4350B,相對介電常數為3.48,厚度為0.508 mm,采用電磁仿真軟件ADS對濾波器進行優化仿真,設置初始參數:L1=6 mm,W1=0.3 mm,L2=2 mm,W2=0.6 mm,L3=12 mm,W3=0.3 mm,L4=5.5 mm,W4=0.3 mm,S1=0.2 mm,S2=0.5 mm,S3=0.55 mm,在輸入/輸出與雙模諧振器弱耦合條件下,支節長度L3對濾波器響應的影響如圖6所示。支節的長度L3主要影響后兩個諧振模式,既偶模諧振模式;不影響前兩個諧振模式,既奇模諧振模式,進一步證明了濾波器的耦合拓撲結構如圖5所示。

在濾波器設計過程中首先可以通過中心頻率和帶寬初步確定雙模諧振器的尺寸L1、L2、L3,然后通過調節耦合間距S2、S3進一步優化濾波器的通帶特性,仿真實驗表明S2、S3的微小變化對濾波器的通帶特性具有顯著的影響。

圖4 濾波器結構Fig.4 Structure of the bandpass filter

圖5 濾波器耦合拓撲結構Fig.5 Coupling topology of the proposed bandpass filter

圖6 L3對濾波器諧振模式的影響Fig.6 Resonating modes of the filter with variedL3

3 濾波器測試

優化得到濾波器最終的尺寸為L1=6.3 mm,W1=0.3 mm,L2=1.8 mm,W2=0.6 mm,L3=3.3 mm,W3=0.3 mm,L4=5.8 mm,W4=0.3 mm,S1=0.2 mm,S2=0.23 mm,S3=0.55 mm。 濾波器實物如圖7所示,濾波器有效尺寸為13.7 mm×5.35 mm,等于0.56λg×0.22λg,濾波器仿真測試結果如圖8所示,濾波器中心頻率為7.34 GHz,帶寬為1.54 GHz,相對帶寬為20.9%,通帶內最小插損為1.9 dB,回波損耗大于16 dB,三個帶外傳輸零點分別位于3.17,8.36,9.61 GHz,上下阻帶抑制度分別大于30 dB,46 dB,一次雜散的抑制度大于18 dB。本文提出的濾波器與參考文獻 [3],[6],[9]的濾波器相比,結構更加緊湊,帶外傳輸零點數量更多,下阻帶抑制度更高,上邊頻選擇性更好,如表1。

圖7 濾波器實物圖Fig.7 Photograph of the fabricated filter

圖8 仿真測試結果Fig.8 Simulated and measured results for filter

表1 濾波器主要性能比較Tab.1 Comparison of the filter main performances

4 結論

本文采用邊緣耦合的方式實現了基于工字型雙模諧振器的雙階拓撲結構帶通濾波器,通帶內具有四個諧振模式,濾波器結構緊湊,帶外存在三個傳輸零點。通過增加雙模諧振器的階數,濾波器的選擇性與帶外抑制度得到有效提高,能夠廣泛應用于現代無線通信系統中。該濾波器的通帶特性對濾波器尺寸非常敏感,因此對電路加工精度要求較高。