平面帶通濾波器的多頻帶技術

覃鳳 周瑩 曹美媛

摘? 要：作為無線通信終端設備的重要組成部分，濾波器在無線通信系統中具有重要作用，隨著頻譜資源的日益緊張，研究雙頻甚至多頻平面帶通濾波器的基礎理論及設計方法對于多頻通信系統的發展至關重要。首先對國內外近年來在多頻帶平面帶通濾波器方面的研究現狀作了報告，總結了平面帶通濾波器的多頻帶技術，在此基礎上，對目前實現多頻帶濾波器的主要技術手段進行了研究歸納。

關鍵詞：微波通信;帶通濾波器;多頻帶;應用現狀

Abstract：As an important part of wireless communication terminal equipment，filter plays an important role in wireless communication system. With the increasing shortage of spectrum resources，it is very important to study the basic theory and design method of dual frequency or even multi-frequency planar band pass filter for the development of multi-frequency communication system. Firstly，the research status of multi-band planar band pass filter at home and abroad in recent years is reported，and the multi-band technology of planar band pass filter is summarized. On this basis，the main technical means of realizing multi-band filter are studied and summarized.

Keywords：microwave communication;band pass filter;multi-band;application status

0? 引? 言

近年來，電子技術及無線通信技術發展迅猛，隨之涌現出面向各種無線通信應用的終端設備。其中，無線收發系統主要用于實現對無線電波的接收及發射，是移動終端設備中至關重要的組成部分之一，在整個通信系統中扮演著的“耳目”的作用。而在無線收發系統中，為了將有用信號和干擾及噪聲區分開來，即提取有用信號的同時抑制干擾及噪聲，要求無線接收機在接收端對接收到的信號進行濾波處理，相應地，無線發射機中也應設置濾波電路，用于將發射信號濾波處理之后再發射出去。這里的濾波處理主要用濾波器（Filter）實現，可見濾波器是無線收發系統的重要組成部分。濾波器種類多種多樣，其中由于平面型濾波器具有結構緊湊、價格低廉、便于集成等優點而受到國內外研究學者的青睞，并且在GPS、WLAN、GSM以及WCDMA等無線通信系統中被廣泛應用[1]。另一方面，快速發展的無線通信技術促使采用無線通信方式的電子設備日益增多，頻譜資源也隨之日漸緊張，傳統單一頻帶的濾波器逐漸被淘汰而退出市場。同時，采用簡單地級聯多個單頻濾波器設計多通帶濾波器的方式將增加終端設備的制造成本及體積，這樣一來則無法滿足無線通信設備小型化、便攜式發展的需求。因此，研究并設計出結構緊湊、性能優異且具有雙頻甚至多頻特性的平面帶通濾波器在理論及實踐方面均具有重要價值。

基于攻讀碩士學位以來從事微帶濾波器及微帶天線等微波器件設計研究的工作經驗，為總結平面微帶濾波器在多頻帶設計方面的研究成果及技術手段，筆者首先對近年來國內外關于多頻帶平面帶通濾波器的主要研究成果進行了總結介紹。并基于多頻帶通濾波器的研究現狀，進一步歸納總結了實現平面帶通濾波器多頻帶設計的主要技術方法，對多頻帶平面帶通濾波器的設計實現有一定的借鑒意義。

1? 多頻帶平面帶通濾波器的研究現狀

隨著無線通信設備越來越多，頻譜資源越來越緊張，僅適用單頻帶通信需求的傳統濾波器逐漸被淘汰。而傳統的采用將多個單頻帶濾波器簡單級聯起來設計的多通帶濾波器又不符合無線通信設備的小型化、便攜式發展趨勢。因此，具有優異性能的多頻帶平面濾波器的設計方法成了當前乃至今后的研究熱點，備受國內外研究學者的關注。

濾波器的多頻技術即利用單一濾波器便可實現同時工作在多個頻段的濾波器頻率響應特性。早期傳統的多頻帶通濾波器是通過將多組諧振器并聯起來實現的。如Chen等人就曾利用平行耦合線的饋線結構，通過并聯兩組諧振頻率互不相同的諧振器實現帶通濾波器的雙頻特性[2]。這種方法原理簡單、方便可行，但電路尺寸較大。為減小電路尺寸，Chen等人在上述研究基礎上通過彎折輸入輸出饋線設計出了一個結構更緊湊的雙頻帶通濾波器電路[3]，從而在實現濾波器雙頻特性的同時兼顧了小型化設計。

對于微帶結構的濾波器電路，還可以采用缺陷地結構（DGW）來實現多頻帶通濾波器的設計。如文獻[4]采用兩組DGW諧振器結構設計的雙頻帶通濾波器，利用不同尺寸的DGW諧振器具有不同諧振頻率的特點，實現了分別諧振在1.85 GHz和2.35 GHz、具有雙頻帶通特性的濾波器設計。為更加充分地利用上層空間，同年Wu等人又采用微帶諧振器和DGW諧振器相組合的方法設計了一個結構更緊湊的雙頻帶通濾波器[5]。

另一種常被用于實現濾波器多頻化設計的技術方法是采用階躍阻抗諧振器（SIR）。如文獻[6]中提出的利用SIR設計帶寬可控的雙通帶濾波器，并對SIR的諧振特性進行了詳細的分析。Chu等人也于2008年設計實現了一款雙頻帶濾波器[7]，通過調節SIR的阻抗比和電長度比，可有效控制諧振器本身具有的兩個頻段。另外，為了優化帶內性能，濾波器采用兩個SIR級聯實現兩個通帶內的雙模特性。而將諧振器彎折并采用偽交趾耦合的結構主要是為了進一步減小電路尺寸，與此同時，改變濾波器中兩個SIR之間的耦合強度可實現對通帶內模式分離程度的控制，進而達到帶寬可調的目的。

此外，利用加載枝節的方法形成的多模諧振器也常被用于設計多頻帶通濾波器。所謂的枝節加載諧振器是在單一諧振器的不同位置加載不同尺寸及不同結構的枝節，從而得到彼此無耦合的多個模式特性，在實現濾波器多頻化設計的同時還具有帶寬可控性。Liu等人于2013年提出了一種新型多模諧振器——環形加載諧振器[8]，其結構如圖1（a）所示，圖中MW和EW分別表示磁壁和電壁。環形加載諧振器的構成方法為：在均勻阻抗諧振器（寬度w）的中心位置進行方環形加載（加載環形的長和寬分別為L2、2s，微帶寬度w），L1為加載的方環形到均勻阻抗諧振器邊緣的距離。文章利用奇偶模理論建立該諧振器的等效電路并詳細分析了其諧振特性。最后利用這種新型諧振器設計并制作實現了一款面向WLAN應用的雙通帶濾波器，為了獲得更緊湊的濾波器結構，將圖1（a）的諧振器進行了彎折處理，再加上輸入輸出微帶饋線，從而得到如圖1（b）所示的濾波器結構。其中，w、L1、L2含義同圖1（a），w1為微帶饋線寬度，g為饋線與諧振器的間距。圖1（c）給出了該濾波器的頻率特性，S11、S21分別為濾波器的回波損耗和插入損耗參數，該濾波器在實現雙頻帶頻率響應特性的同時還具有結構緊湊的特點。

文獻[9]通過在兩階的對稱SIR上加載短路枝節設計了一款三頻帶通濾波器，濾波器結構如圖2（a）所示。該濾波器包括一個彎折成“S”形的短路枝節加載SIR（短路枝節加載在SIR的中心位置，SIR的尺寸為L1，L2，W1，W2，加載的短路枝節尺寸為L3，W3）和一對開口環UIR（長度為L4+L5，寬度W4）組成。g1為兩個UIR之間間距，UIR和SIR不同位置之間的間距分別為g2和g3。最終得到的濾波器頻率響應特性如圖2（b）所示，S11、S21分別為濾波器的回波損耗和插入損耗參數。其中，三個頻帶分別由枝節加載SIR的奇偶模諧振頻率、SIR的一次諧波以及饋線部分產生。另外，該濾波器電路結構中將SIR進行彎折處理有利于小型化設計;采用的零點饋線結構，有助于產生多個傳輸零點，以提高濾波器的選擇性。

2? 多頻濾波器的設計方法

綜合以上對于多頻平面帶通濾波器的應用研究，可見濾波器多頻技術的核心在于將具有不同諧振頻率的諧振單元集成在單一濾波器中，通過多路徑實現濾波器的多頻特性。目前在實現濾波器多頻帶特性的設計中，較為成熟且有效的技術方法有很多，具體包括：

（1）級聯帶通濾波器和帶阻濾波器或將多組諧振器并聯，具體的濾波器結構及其耦合結構如圖3所示。1～6對應表示兩個微帶諧振器和四個缺陷地開環諧振器的六個諧振單元，相互間存在的直接耦合和間接耦合分別用實線和虛線表示，M則代表對應的耦合系數，圖中的箭頭指出了信號的傳輸方向。采用這種方法設計的多頻濾波器原理簡單，但由于需要對多個不同諧振器進行阻抗匹配電路的設計而使得設計復雜度增大。同時，包含多個濾波器以及阻抗匹配電路的引入造成濾波器電路尺寸較大，無法滿足無線設備的小型化要求。

（2）采用缺陷地（DGW）結構。在傳統濾波器的地平面開槽，如圖4所示。其中黑色（T型）部分代表電路板正面的輸入輸出饋線，白色（U型）部分為電路板背面蝕刻的開槽結構。利用不同尺寸的DGW諧振器結構具有不同諧振頻率的特點可實現濾波器的多頻帶效果。這種方法可在實現多頻設計的同時在一定程度上兼顧濾波器的小型化，特別是在將DGW結構和微帶結構結合起來設計多頻帶濾波器的情況下對于雙層空間的充分利用更為有效，可進一步縮減電路尺寸，實現小型化。

（3）利用階躍阻抗諧振器（SIR）基頻和諧波頻率可控的特性來實現濾波器的多頻化設計。SIR具有不同表現形式，其中圖5所示為非對稱的諧振器結構。它由高阻抗線（L1、W1、θ1、Z1）和低阻抗線（L2、W2、θ2、Z2）兩部分組成。其中，L、W、θ、Z分別為對應阻抗線的物理長、寬、阻抗及電長度。采用這種阻抗不均勻的諧振器可通過改變其阻抗比和電長度比實現各通帶中心頻率和帶寬的單獨可調。

（4）采用多模諧振器（MMR）。多模諧振器本身包含多個諧振回路，不同諧振回路對應不同頻率，可以通過合理控制諧振器的結構參數實現濾波器的多頻工作特性。而一般可以采用以下方法構成具有多個模式的多模諧振器：加入貼片形成微擾分離模式、在貼片諧振器上開不同尺寸的槽、加載枝節以及采用非均勻諧振器等。

相對于前述三種多頻帶濾波器的設計方法，采用多模諧振器的方式更容易實現尺寸更小、帶內特性更好、帶外選擇性更優良以及諧振模式更豐富的多頻帶濾波器設計，因此被廣泛用來設計多頻帶帶通濾波器。值得注意的是，有關濾波器的多頻化設計方法并不限于以上提到的這幾種，并且各種實現多頻帶特性的技術手段也并非是孤立的。同時，在對濾波器進行多頻化設計時還應該兼顧帶內損耗、帶外選擇性、多頻帶等多方面的性能指標。

3? 結? 論

本文首先針對近年來國內外在平面帶通濾波器的多頻帶設計方面的主要研究成果進行了簡要回顧，在此基礎上，歸納總結了在平面帶通濾波器的設計過程中用于實現多頻特性的主要技術手段，為下一步多頻帶通濾波器的設計工作提供理論依據。

參考文獻：

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[9] LIU H W，WANG Y，WANG X M，et al. Compact and High Selectivity Tri-Band Bandpass Filter Using Multimode Stepped-Impedance Resonator [J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2013，23（10）：536-538.

作者簡介：覃鳳（1989—），女，漢族，四川遂寧人，教師，講師，碩士，主要研究方向：電子通信、電磁場與微波技術;周瑩（1991—），女，漢族，湖北鄂州人，教師，講師，碩士，主要研究方向：無損檢測、圖像處理;曹美媛（1991—），女，漢族，湖南醴陵人，教師，助教，碩士，主要研究方向：圖像處理。