淺析平衡式雙通帶獨(dú)立可控帶通濾波器設(shè)計(jì)

方曉明

摘 要 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)提出一種基于多模諧振器的平衡式雙通帶帶通濾波器。該設(shè)計(jì)合理利用諧振器和加載枝節(jié)的長(zhǎng)度分別調(diào)節(jié)2個(gè)通帶的中心頻率；利用金屬化通孔耦合以及諧振器之間的寬邊耦合分別控制2個(gè)通帶的耦合系數(shù)；通過控制饋線與諧振器以及與加載枝節(jié)之間的間距分別控制2個(gè)通帶的外部品質(zhì)因數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)雙通帶頻率和帶寬的獨(dú)立控制。為了驗(yàn)證所提出的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款平衡式二階帶通濾波器，其測(cè)試與仿真結(jié)果較吻合，表明了濾波器具有較好的差模通帶性能以及良好的共模抑制能力。

關(guān)鍵詞 平衡濾波器；獨(dú)立控制；共模抑制

引言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，具有多頻特性的微波電路和系統(tǒng)前端越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。在這個(gè)報(bào)告中，將介紹幾款具有豐富設(shè)計(jì)自由度的新型多模諧振結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于多頻平衡濾波電路設(shè)計(jì)。我們還將重點(diǎn)介紹基于多模諧振結(jié)構(gòu)和高溫超導(dǎo)材料的高階平衡式多頻帶濾波器設(shè)計(jì)和應(yīng)用?；诟邷爻瑢?dǎo)材料的平衡濾波器電路具有低損耗、高選擇特性和強(qiáng)共模噪聲抑制，可以極大提高接收機(jī)前端靈敏度和抗干擾性能，在極端條件移動(dòng)通信系統(tǒng)、射電天文和深空探測(cè)中具有潛在、廣闊的應(yīng)用空間。

1 雙通帶平衡式濾波器

為了充分利用現(xiàn)階段的頻譜和通信設(shè)備資源，保證通信系統(tǒng)能夠同時(shí)工作在多個(gè)頻段，這一問題的有效解決途徑是使用多通帶的微波通信系統(tǒng)。而平衡式雙通帶濾波器是平衡式通信系統(tǒng)中不可或缺的器件[1]。

2 平衡式濾波器設(shè)計(jì)

2.1 耦合系數(shù)

本文設(shè)計(jì)的濾波器是通過擬合諧振器之間的耦合以及饋線和諧振器之間的耦合實(shí)現(xiàn)。平衡式濾波器有2個(gè)耦合區(qū)域，耦合區(qū)域Ⅰ是2個(gè)諧振器之間的縫隙耦合，它對(duì)低頻和高頻通帶的耦合系數(shù)都有影響，且耦合系數(shù)主要受耦合區(qū)域Ⅰ微帶線的長(zhǎng)度和縫隙間的寬度控制；耦合區(qū)域Ⅱ是金屬化通孔耦合，它主要影響低頻通帶的耦合系數(shù)，且耦合系數(shù)主要受微帶線寬度和金屬化通孔的半徑控制?；隈詈现C振理論，耦合強(qiáng)度可由耦合系數(shù)表征。耦合系數(shù)的提取可由（1）式得出：

（1）式中：K12是耦合系數(shù)；f1和f2指的是在饋線和諧振器之間為弱耦合時(shí)，通帶中S21的2個(gè)尖峰的頻率。

2.2 外部品質(zhì)因數(shù)

饋線和諧振器之間的耦合可以通過外部品質(zhì)因數(shù)Qe來表示。為了提取外部品質(zhì)因數(shù)，在提取時(shí)只保留了一對(duì)差分端口和一個(gè)諧振器。提取外部品質(zhì)因數(shù)Qe的公式為：

（2）式中：f0表示中心頻率；f±90°表示與f0上下相差90°處的頻率。依據(jù)（2）式提取參數(shù)計(jì)算并畫出了圖1。從圖1中可以看出，低頻通帶的Qel隨著饋線與加載枝節(jié)之間的間距c增大而增大，而高頻通帶的Qeh基本不隨饋線與加載枝節(jié)之間的間距c變化；低頻通帶的Qel隨著饋線與諧振器之間的間距b增大而增大，而高頻通帶的Qeh隨著饋線與諧振器之間的間距b的變化較?。挥蓤D2可知，饋線與加載枝節(jié)之間的間距c主要影響低頻的Qel，而饋線與諧振器之間的間距b主要影響高頻的Qeh。因此，可以確定該濾波器2個(gè)通帶的外部品質(zhì)因數(shù)Qe是獨(dú)立可控的[2]。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述的理論分析和設(shè)計(jì)思想，濾波器由上下對(duì)稱的兩面和中心插入金屬面組成，中間有一層中心插入導(dǎo)電平面，構(gòu)成DSPSL結(jié)構(gòu)。其上下面的結(jié)構(gòu)分別由兩個(gè)兩端接地的λ/2SIR諧振器組成。諧振器兩端為兩個(gè)TGV通孔結(jié)構(gòu)，通過兩個(gè)33Ω，電阻接地，用來實(shí)現(xiàn)共模抑制；諧振器中心加載0.7 pF電容實(shí)現(xiàn)雙通帶特性。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的雙頻帶平衡帶通濾波器具有良好的差模頻率響應(yīng)和共模抑制效果[3]。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文提出了一種小型化的平衡式雙通帶帶通濾波器，并且本文所提出的濾波器有很好的共模抑制能力、更加緊湊的尺寸，而且雙通帶的頻率、耦合系數(shù)和外部品質(zhì)因數(shù)都是獨(dú)立可控的。該濾波器的仿真和測(cè)試的結(jié)果吻合良好。由于該濾波器具有很好的共模抑制能力和緊湊的尺寸，使得該濾波器能夠適用于許多微波通信系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳新偉.平衡雙頻帶通濾波器及濾波天線的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：山西大學(xué)，2013.

[2] 于鵬飛.新型雙通帶平衡帶通濾波器的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.

[3] 陳建忠.濾波微波器件的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.