基于介質(zhì)環(huán)諧振器的集成多頻段濾波器的設(shè)計(jì)

張宏偉 程大軍

摘 ?要： 多頻段射頻通信采用集成的多頻段帶通濾波器，該濾波器以環(huán)形諧振器為基礎(chǔ)，如同心圓介質(zhì)環(huán)形諧振器。通過使用同心環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)造多頻帶通濾波器，大大降低了在多頻帶運(yùn)行的多濾波器對印刷電路板（PCB）的實(shí)際需求。基于同心圓諧振器的多頻帶通濾波器的各種配置為移動設(shè)備的多頻帶移動設(shè)備的布局設(shè)計(jì)和制造提供了靈活性。這些同心圓諧振器的配置可以包括但不限于槽耦合配置、直接耦合配置和嵌入式直接耦合配置。在封裝技術(shù)中具有重要作用。

關(guān)鍵詞： 多頻段濾波器; 帶通濾波器; 介質(zhì)環(huán)諧振器; 布局設(shè)計(jì); 電路設(shè)計(jì); 濾波器設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN629.1?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）01?0024?04

Integrated multi?band filter design based on dielectric ring resonators

ZHANG Hongwei1， CHENG Dajun2

Abstract： An integrated multi?band band?pass filter based on ring resonators like concentric dielectric ring resonators is adopted in the multi?band radio frequency communication. The application of multi?band band?pass filter constructed with concentric ring structure can significantly reduce the actual requirement of the multiple filters operating in multi?band for the printed circuit board （PCB）. Various configurations of the multi?band band?pass filter based on the concentric ring resonator provide flexibility for the layout design and manufacturing of multi?band mobile devices in the mobile equipments. The configurations of these concentric ring resonators include but are not limited to slot?coupling configuration， direct?coupling configuration and embedded direct?coupling configuration. Therefore， it plays an important role in packaging technology.

Keywords： multi?band filter; band?pass filter; dielectric ring resonator; layout design; circuit design; filter design

0 ?引 ?言

介質(zhì)諧振器濾波器由于體積小、重量輕、[Q]值高、成本低、應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)，在移動通信設(shè)備、雷達(dá)、導(dǎo)航、微波通信和光通信中得到了廣泛的應(yīng)用。而在激烈競爭的移動通信終端行業(yè)中，多模、多頻段已是移動終端的必備功能。在多頻段設(shè)計(jì)中，一種常用的架構(gòu)是采用多個單帶通濾波器（或雙工器）和開關(guān)的組合，以滿足多頻帶共存的無線電工作要求，例如，帶外噪聲基底和雜散、天線隔離。也就是說，每個工作頻帶使用不同的單帶通濾波器。因此，需要有能夠在有限量的空間內(nèi)服務(wù)多個不同頻帶的多帶通濾波器。

本文使用同心介質(zhì)環(huán)諧振器構(gòu)建多帶通濾波器。由于使用多層同心方案，成倍降低了濾波器的尺寸。采用靈活的槽耦合設(shè)計(jì)、直接耦合設(shè)計(jì)、嵌入式直接耦合設(shè)計(jì)等構(gòu)建多帶通濾波器。

1 ?介質(zhì)環(huán)諧振器的多帶通濾波器的設(shè)計(jì)

介質(zhì)諧振器濾波器是一種微帶結(jié)構(gòu)濾波器。自 1972年，文獻(xiàn)[1]第一次提出圓環(huán)狀的微帶雙模結(jié)構(gòu)濾波器。此后研究者們提出了很多改進(jìn)型的雙模諧振器，例如，基于三角形形狀[2?3]、方環(huán)形狀[4?6]、梯形環(huán)形狀[7]等雙模微帶結(jié)構(gòu)諧振器[8]。文獻(xiàn)[8]提到雙層微帶結(jié)構(gòu)和微帶濾波器小型化采用高介電常數(shù)的基板材料以及多層技術(shù)。

目前的介質(zhì)諧振器濾波器多采用平面級聯(lián)或并聯(lián)形式的設(shè)計(jì)，占PCB面積大，同心介質(zhì)環(huán)諧振器的多帶通濾波器采用多層設(shè)計(jì)，且環(huán)形結(jié)構(gòu)為同心，決定PCB尺寸大小的是最低頻率的帶通濾波器。單獨(dú)的帶通濾波器變?yōu)槎嗤◣V波器而沒有額外引入有用信號的插入損耗，降低了BOM成本，滿足監(jiān)管排放要求;介質(zhì)材料相對介電常數(shù)可能非常高，可以實(shí)現(xiàn)非常高的[Q]，因此對帶外雜散發(fā)射/干擾提供高抑制;介質(zhì)環(huán)諧振器的諧振頻率是形狀依賴的，并且在圓形或橢圓形元件的情況下是尺寸的非線性函數(shù)，所以可以極大地抑制所需通帶的諧波。

介質(zhì)諧振器的形狀與尺寸同電磁波的波長有關(guān)，如圖1所示。

[D≈λg0π] （1）

介電常數(shù)與電磁波長的關(guān)系如下：

[λ2=λ1εr] （2）

式中：[λ2]為電磁波在介質(zhì)中的波長;[λ1]為電磁波在空氣中的波長;[εr]為介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)[8]。

在微帶濾波器設(shè)計(jì)中，首先確定介電常數(shù)[εr]的PCB板基板材料，諧振器的諧振頻率是由諧振腔的長度和基底的介電常數(shù)決定的[9]。確定中心頻率，由公式[8]：

[λg=cfc×εr] （3）

式中：[λg]為介質(zhì)中電磁波波長;c為光速。

計(jì)算得到諧振器的初步尺寸。初步尺寸確定后，需要根據(jù)尺寸、形狀再返回計(jì)算出實(shí)際諧振頻率。為簡便計(jì)算，后續(xù)設(shè)計(jì)采用等效電路法進(jìn)行計(jì)算：

[fi=12πLiCi， ? ?i=1，2，…，n] （4）

式中[n]為諧振器數(shù)量。

1.1 ?介質(zhì)環(huán)諧振器槽耦合的多帶通濾波器

為降低濾波器尺寸，應(yīng)用立體層結(jié)構(gòu)，將3個介質(zhì)環(huán)諧振器同心放置，使他們處于同一幾何中心軸上，如圖2所示。3個諧振器頻率不同，直徑不同，不會發(fā)生投影重疊現(xiàn)象，對3個諧振器按諧振頻率高低命名為高頻諧振器、中頻諧振器和低頻諧振器，低頻諧振器直徑最大，高頻諧振器直徑最小。在同心構(gòu)建中，多頻帶有用信號可以與相同的共用耦合時(shí)隙同時(shí)諧振。在立體層結(jié)構(gòu)中，基板上鋪地平面，在地平面蝕刻耦合槽，用于將電磁信號與介質(zhì)環(huán)諧振器耦合。通過在接地平面中蝕刻的耦合槽將傳輸或接收的信號電磁耦合到介質(zhì)諧振器。電磁耦合機(jī)制是跨越槽的電場確保傳輸線中的RF（Radio Frequency）信號與介質(zhì)環(huán)諧振器元件之間的耦合。傳輸線微帶線和諧振器之間的耦合與頻率相關(guān)。耦合結(jié)構(gòu)的傳輸效率=[輸出功率傳輸線的輸入功率]。經(jīng)仿真得出如圖3所示的頻率響應(yīng)特性。介質(zhì)材料的高介電常數(shù)使介質(zhì)諧振器的[Q]因子非常高，將很好地抑制在諧振頻率之外的雜散發(fā)射或干擾。

采用等效電路法，得出圖2的等效電路圖，如圖4所示。[L0]和[C0]是傳輸線的等效電感和電容，[L1]和[C1]是介質(zhì)環(huán)諧振器元件的等效電感和電容（低頻介質(zhì)諧振器）;[L2]和[C2]是中頻介質(zhì)環(huán)諧振器元件的等效電感和電容;并且[L3]和[C3]是高頻介質(zhì)環(huán)諧振器元件的等效電感和電容。對應(yīng)于帶通頻率分別是[f1]，[f2]，[f3]，其中[f1]，[f2]和[f3]是有用信號頻帶的中心頻率，且[f1

仿真后得出同一幾何中心軸上同心槽耦合介質(zhì)環(huán)諧振器元件的傳輸線的傳輸特性，所有介質(zhì)環(huán)在平面投影具有共同圓心，如圖5所示。

圖5表明，RF信號僅在三個所需頻帶上傳輸，插入損耗小于0.3 dB，并且?guī)ㄍ忸l率衰減大。

將微帶傳輸線線寬做成不均勻的，或改變耦合槽形狀為蝴蝶結(jié)或其他非矩形，也能進(jìn)一步改善濾波器的多帶通特性的RF性能。

1.2 ?介質(zhì)環(huán)諧振器直接耦合的多帶通濾波器

在構(gòu)建的立體層結(jié)構(gòu)中，直接將三種諧振頻率不同的介質(zhì)環(huán)諧振器同心放置在微帶傳輸線上部，如圖6所示。傳輸線的耦合短截線周圍的電磁場將RF信號直接耦合到介質(zhì)環(huán)諧振器元件中。在這種結(jié)構(gòu)中，通過傳輸?shù)鸟詈隙叹€激勵其附近的電磁場并耦合到具有多個帶通性能的諧振器元件中。通過包括匹配短截線或表面安裝組件（電容器、電感器）等措施改善阻抗匹配性能來提高傳輸特性。

1.3 ?介質(zhì)環(huán)諧振器嵌入式直接耦合多帶通濾波器

與1.2節(jié)不同，3種諧振頻率不同的介質(zhì)環(huán)諧振器在立體層結(jié)構(gòu)中，同心直接嵌入在基板中，微帶傳輸線放置在其上，如圖7所示。與1.2節(jié)耦合原理一樣，通過傳輸?shù)鸟詈隙叹€激勵其附近的電磁場并耦合到具有多個帶通性能的諧振器元件中，但其等效電路中電容和電感參數(shù)會有所變化。

為了在所提出的具有介質(zhì)環(huán)諧振器的多帶通濾波器的應(yīng)用中提供布局靈活性，傳輸線可以是標(biāo)準(zhǔn)微帶傳輸線（如圖2，圖6，圖7所示）、共面波導(dǎo)傳輸線（傳輸線共面）、微帶狀線（傳輸線獨(dú)自構(gòu)成一層），還有其他諸如雙傳輸線耦合等多種結(jié)構(gòu)。

2 ?大帶寬多帶通濾波器的設(shè)計(jì)

上述設(shè)計(jì)的濾波器雖然可以提供多帶通，但每個帶通的帶寬已不能滿足高速率、大帶寬的移動通信要求。為了擴(kuò)展每個帶通表征的帶寬，可以為一個工作頻帶布置多個介質(zhì)環(huán)諧振器，形成組介質(zhì)環(huán)諧振器，其中這些介質(zhì)環(huán)諧振器中的每一個具有接近的諧振頻率，使多個諧振器在設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)具有所需工作帶寬的帶通特性。然后多個介質(zhì)環(huán)諧振器組構(gòu)建一個大寬帶濾波器，多個不同帶寬的濾波器構(gòu)建成多頻段的濾波器群。介質(zhì)環(huán)諧振器組包括低頻帶L組（[L1]，[L2]，[L3]，[L4]）、中頻帶[M]組（[M1]，[M2]，[M3]）、高頻帶[H]組（[H1]，[H2]，[H3]），這些介質(zhì)環(huán)諧振組構(gòu)建如圖8所示的高中低三頻段的濾波器結(jié)構(gòu)的橫截面。仿真得出多個介質(zhì)環(huán)諧振器的傳輸特性如圖9所示。通過使用多個諧振器元件組，在工作頻帶（頻帶[L]，[M]，[H]組）中擴(kuò)展了多帶通濾波器的帶寬，接近共振頻率。在實(shí)際應(yīng)用中組裝這些諧振器元件，填充這些元件之間的間隙可以使用低介質(zhì)常數(shù)的材料。

另外，擴(kuò)展同心圓介質(zhì)環(huán)形諧振器的工作帶寬，還可以通過適當(dāng)調(diào)整耦合區(qū)域和諧振器的方向來激發(fā)每個諧振器元件的兩種模式，如圖10所示。

多頻擴(kuò)展帶通濾波器

由于采用同心矩形介質(zhì)環(huán)諧振器，每個諧振器元件的基本諧振頻率由矩形環(huán)形諧振器的一側(cè)控制，諧振元件將通過激發(fā)諧振器中的雙模態(tài)來輸出兩個基本頻率。

3 ?結(jié) ?語

與其他結(jié)構(gòu)形式的濾波器相比，多層微帶介質(zhì)諧振器濾波器具有體積小、重量輕、[Q]值高等優(yōu)點(diǎn)，本文的設(shè)計(jì)基于模型仿真，在理論計(jì)算和實(shí)際測試方面留有遺憾。在5G毫米波時(shí)代，這種設(shè)計(jì)思路在封裝技術(shù)中可大有前途，是多頻段濾波器重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

參考文獻(xiàn)

[1] WOLFF Ingo. Microstrip bandpass filter using degenerate modes of a microstrip ring resonator [J]. Electronics letters， 1972， 8（12）： 302?303.

[2] LUGO C， PAPAPOLYMEROU J. Bandpass filter design using a microstrip triangular loop resonator with dual?mode operation [J]. IEEE microwave and wireless components letters， 2005， 15（7）： 475?477.

[3] WANG X G， CHO Y H， CHUN K J， et al. Microstrip dual?mode bandpass filter using CPW?fed triangular loop resonator with ?controllable attenuation pole [C]// 2010 Asia?Pacific Microwave Conference. Yokohama， Japan： IEEE， 2010： 1879?1882.

[4] FU S， WU B， CHEN J， et al. Novel second?order dual?mode dual?band filters using capacitance loaded square loop resonator [J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques， 2012， 60（3）： 477?483.

[5] TU W H. Compact double?mode cross?coupled microstrip bandpass filter with tunable transmission zeros [J]. IET microwaves antennas & propagation， 2008， 2（4）： 373?377.

[6] FOK S W， CHEONG P， TAM K W， et al. A novel microstrip square?loop dual?mode bandpass filter with simultaneous size reduction and spurious response suppression [J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques， 2006， 54（5）： 2033?2041.

[7] XIAO J K， CHU Q X， WANG Y. New patch resonator bandpass filter with wideband and tunable operation [C]// 2008 Asia?Pacific Microwave Conference. Macau， China： IEEE， 2008： 1?3.

[8] 葉靜.微帶濾波器的設(shè)計(jì)與研究[D].天津：天津大學(xué)，2015.

[9] 張倍紅，周品嘉，王軼文.[λ4]低溫超導(dǎo)共面波導(dǎo)諧振器的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（13）：87?89.

作者簡介：張宏偉（1972—），男，陜西乾縣人，碩士，高級工程師，從事移動通信5G測試技術(shù)及仿真技術(shù)研究。

程大軍（1969—），男，四川成都人，博士，從事移動通信天線設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)研究。