一種圓環形巴倫帶通濾波器

張友俊,馮智超

(上海海事大學 信息與工程學院,上海 201306)

在現代微波通信系統中,為了降低噪聲和高次諧波對通信系統質量的影響,對平衡元件和不平衡結構的需求日益增加。巴倫可以將不平衡信號轉換為平衡信號,其平衡信號是由兩個幅度相同但相位相差180°的信號分量組成[1],被廣泛運用于混頻器、放大器和天線饋電網絡等。帶通濾波器是頻率選擇的器件,它們在射頻系統的前端占據著十分重要的地位。為了降低通信系統的成本和簡化系統架構的設計,需要集成巴倫和帶通濾波器,目的是在信號選擇的同時實現信號單端到差分的轉化。目前巴倫帶通濾波器因具有獨特的綜合特性而倍受關注。

近年來,研究人員提出了各種微帶巴倫帶通濾波器的設計方法[2-15],如采用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術[2-6]來實現巴倫濾波器結構小型化,這種技術是將低溫燒結陶瓷粉末制成厚度精確的陶瓷帶,在高溫下燒結,制作成三維空間互不干擾的高密度電路,但其制作成本高、難度大且設計較為復雜。Xia 等[7]采用空間耦合的陶瓷加載三角形諧振器(CLR)來設計巴倫帶通濾波器,這種方法與傳統的微帶線濾波器相比,其插入損耗較小,并且采用了空間耦合結構,大大簡化了電路結構,但是設計制作難度大,對加工工藝要求高。Sun 等[8]利用貼片諧振器本身的異相特性來設計巴倫帶通濾波器。Wang 等[9]采用駐波模式和耦合短截線加載的諧振器來設計巴倫帶通濾波器,雖然大大提高了帶外抑制能力,但是其結構受到了電路尺寸的影響。Huang 等[10]利用多層液晶聚合物(LCP)電路技術設計出一種超寬帶巴倫帶通濾波器,雖然取得較好特性,但是其電路設計結構和工藝復雜,不易制作。

微帶環形諧振器具有體積小、成本低、品質因素高等特點,在各種微波器件中得到廣泛的應用。本文提出一種基于圓環形諧振器的巴倫帶通濾波器,由一個圓環形諧振器、三個弧形饋電端口和八個均勻間隔分布的短截線及短弧構成。通過加載短接枝節微擾的方式激發了簡并模式,調整激勵端口的角度得到濾波器和巴倫的特性,可以產生兩個傳輸零點,提高了帶外性能。最后,為了驗證該方案,通過軟件HFSS 15.0 仿真優化,再結合實物加工測試,對該微帶圓環形巴倫濾波器的設計進行了初步的驗證。

1 濾波器理論及分析

1.1 圓環形諧振器

在微帶線濾波器的設計中,圓環形諧振器已經被廣泛使用到多種濾波器的結構當中。圖1 為圓環形巴倫濾波器的拓撲圖,該巴倫濾波器由三個激勵端口(Port1～Port3)和八個用于激發簡并模的短截線以及圓弧,以相等的間距和寬度分別連接到圓環形諧振器上,不平衡輸出端口Port1與平衡輸出端口Port2之間的電長度為θ1,不平衡輸出端口Port1與平衡輸出端口Port3之間的電長度為θ2,兩個平衡輸出端口Port2和Port3之間的電長度為θ3=θ1+θ2=180°,這使兩個端口的平衡輸出具有適當的相位差。本文使用短圓弧平行耦合線作為饋電端口的集總電容Cf。

圖1 圓環形巴倫濾波器拓撲圖Fig.1 Topological structure diagram of circular balun filter

如圖1 所示,θ1、θ2和θ3分別為相鄰兩個端口之間圓環路徑的電長度,在饋電端口處極弱的電容耦合下[11],諧振發生在:

由于一個端口到另一端口的不同路徑之間的橫向干擾,其傳輸零點出現在:

在第一次諧振時,圓環諧振器的總電長度等于360°,因此φ=θ1=360°-θ2-θ3,當θ1=20°時,θ2+θ3=340°=17θ1,在這種條件下,傳輸零點出現在3.8 GHz。測試了θ1分別為20°,40°,60°時,S21和S31(插入損耗)的幅度頻率響應,如圖2 所示,可以看出,當θ1=20°時,S21和S31的幅度相差不大,插入損耗較小,帶外抑制也較好,所以選擇端口Port1和端口Port2分離角度為20°。

圖2 θ1調節的頻率響應Fig.2 θ1 adjusted frequency response

圖3 為圓環形巴倫濾波器電路等效傳輸線模型,為了方便計算輸入Port1和輸出Port2,輸出Port3,這三個端口由特性阻抗Z0終止。Z1為圓環的阻抗特性,兩條傳播路徑分為上下(Upper,Lower)兩部分。

圖3 圓環形巴倫濾波器的等效電路圖Fig.3 The equivalent transmission line simulation diagram of circular balun filter

利用傳輸線模型和ABCD參數轉換為Y參數[12]可以計算出環形諧振器的總轉移導納Y21,t。

式中:Z1是圓環傳輸線的特性阻抗;w為角頻率;Cf為饋電端口的集總電容;θ1是無損傳輸線的傳播常數;ZStub是短截線和短弧的特性阻抗;Z21,u是向上傳輸線路的特性阻抗;Z21,l是向下傳輸線路的特性阻抗。

通過讓上下兩部分的導納相等,即Y21,u=-Y21,l,可以求出巴倫濾波器的傳輸零點。通過HFSS 15.0 仿真可以看出,兩個零點分別出現在通帶兩側。從圖2可以看出,不同電長度θ1的大小會對簡并模式的分離產生影響。經過仿真開路枝節的個數與長短也會對簡并模的分離程度有影響。通過仿真,在電長度為20°時,可以激發簡并模式且耦合強度較高。

1.2 弧形饋電端口

巴倫濾波器由圓環雙模諧振器和饋電結構組合而成,加載合適的饋電結構可以實現饋電端與圓環諧振器之間的良好電磁耦合。本文采用弱耦合的饋電方式,源和負載難以實現強耦合,濾波器的性能較差,為了實現饋電端與圓環形諧振器之間較好的耦合從而達成有效濾波的目的,在環形諧振器的平衡與不平衡輸入和輸出端口分別加載了一段圓弧開路枝節,通過增加弧線的耦合長度來實現增強源和負載兩者之間的耦合度。

當弧形開路枝節的長度發生變化時,巴倫濾波器的S21和S31參數也會隨之改變。取圓弧開路枝節長度n分別為3.66,5.49 和7.32 mm 進行仿真實驗,巴倫濾波器的S21和S31變化結果如圖4 所示。從圖4 可以看出,n為3.66 mm 時,因圓弧枝節長度較小而耦合度低,無法實現對諧振器的強激勵。當n為5.49 和7.32 mm 時,源和負載的耦合度變強,而且隨著饋電圓弧長度的增加,巴倫濾波器通帶變寬,但是其幅度不平衡度會隨之變差。因此可以通過調整饋電弧的長度來調控巴倫濾波器的通帶寬度,本文選擇幅度不平衡度仿真表現較好的5.49 mm 饋電端口長度進行實物加工。

圖4 改變弧形饋電結構的長度對濾波器性能的影響Fig.4 Effect of changing the length of arc feed structure on filter performance

2 巴倫濾波器設計

基于上述對圓環諧振器的理論分析,通過HFSS 15.0 仿真并優化,設計出一種圓環形巴倫濾波器,圖5 為提出的圓環形巴倫濾波器拓撲結構圖,圓環形諧振器內外半徑分別用r1和r2來表示,其寬度為W4;不平衡激勵端口(Port1)與兩個平衡激勵端口(Port2,Port3)的角度分別為θ1和θ3+θ4+θ5,環內短弧的角度為θ3,環內短路枝節長度為L1,短截線和短弧枝節寬度分別為W1、W3,弧形饋電結構的角度為θ2,不平衡饋電端口與環形諧振器的距離為D1,兩個平衡端口與環形諧振器的距離為D2,弧形饋電端口的寬度為W2。具體尺寸如下:r1=6.49 mm,r2=6.09 mm,W1=0.4 mm,W2=0.4 mm,W3=0.4 mm,W4=0.4 mm,D1=0.1 mm,D2=0.2 mm,θ1=20°,θ2=45°,θ3=30°,θ4=65°,θ5=65°,L1=0.4 mm。

圖5 提出的圓環形巴倫濾波器拓撲圖Fig.5 Proposed structure diagram of circular balun filter

3 實物加工與測試結果

圓環形巴倫濾波器采用相對介電常數為2.65,厚度為1.0 mm 的介質基板,圖6 為圓環形巴倫濾波器實物加工圖。實物測試與仿真的頻率響應對比如圖7 所示,圖中實線為仿真結果,虛線為實物測試結果,實物測試結果與仿真結果存在一定的偏差,主要來源于加工精度和接口處手工焊接SMA 接頭的誤差所導致,但是可以看出兩者基本一致。圓環形巴倫濾波器通帶的中心頻率為4.54 GHz,通帶寬度為0.24 GHz,相對帶寬為5.3%(4.38～4.62 GHz),采用圓環諧振器成功激發了簡并模式,得到的濾波器尺寸為16 mm×18 mm(0.20λg×0.24λg,λg是頻帶中心頻率的波長)。圖8 為測量和仿真的平衡輸出的兩個端口的振幅和相位不平衡度,在4.50～4.60 GHz 通帶范圍內,不平衡端口的回波損耗低于20 dB,插入損耗優于5 dB。在工作頻帶上兩個平衡端口測量的幅度差為0.5 dB,相位差為(180°±3°)。

圖6 濾波器實物圖Fig.6 Physical diagram of bandpass filter

圖7 實測與仿真S 參數對比圖Fig.7 Comparison of S parameters between physical test and simulation

圖8 實測相位差和幅度差Fig.8 Measured phase difference and amplitude difference

表1 為本文巴倫濾波器與其他文獻提出的巴倫濾波器的性能比較。從表1 可以看出,所提出的圓環形巴倫濾波器具有插入損耗低、平衡輸出端口幅度差和相位差小、尺寸緊湊等優點。

表1 本文與其他文獻巴倫帶通濾波器的性能比較Tab.1 Performance comparison of balun bandpass filters proposed in this paper with other literatures

4 結論

本文研究并設計了一種基于圓環形諧振器的微帶巴倫濾波器,在弧形饋電端口以合理角度擺放的激勵下,激發了簡并模式實現濾波功能且具有巴倫特性。并且通帶寬度可以通過弧形饋電結構的饋電長度來控制,驗證了設計方法的可行性。在工作頻帶上兩個平衡端口測量的幅度不平衡度為0.5 dB,相位不平衡度為(180°±3°),濾波器尺寸為16 mm×18 mm(0.20λg×0.24λg)。滿足了結構簡單、高帶外抑制和小型化的要求,因此在無線通信領域具有應用價值。