摘 要:提出一種基于混合參數(shù)元件設(shè)計雙頻帶通濾波器的方法，并采用該方法進行GSM(890~960 MHz)/DCS(1 710~1 880 MHz)無線雙頻帶通濾波器的設(shè)計。經(jīng)過ADS仿真設(shè)計，并制作出測量的樣品實物，樣品實物的測量結(jié)果和仿真結(jié)果吻合，說明該方法的可行性;同時分析該方法的優(yōu)點和適用范圍，對實際工程應(yīng)用具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞:GSM;DCS;雙頻帶通濾波器;ADS仿真

中圖分類號:TN713文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)02-154-03

Wireless Dual_band Bandpass Filter Design Based on Hybrid Parameter Elements

FENG Jingtian，CHEN Song，XIAO Fen

(School of Physics Mechanical Electrical Engineering，Xiamen University，Xiamen，361005，China)

Abstract:A method of designing a dual_band bandpass filter based on hybrid parameter elements is proposed，and GSM(890~960 MHz)/DCS(1 710~1 880 MHz) dual_band bandpass filter is designed using this method.Actual measured results of the filter sample are in good agreement with simulated results.This method is meaning for application of engineering.

Keywords:GSM;DCS;dual_band bandpass;filter;ADS simulation

0 引 言

濾波器是通信系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，目前雙頻和多頻通信發(fā)展迅速，隨之而來的雙頻放大器[1]和雙頻天線[2]，雙頻濾波器[3-5]的研究也日益增多。雙頻濾波器的一種設(shè)計方法是通過一個頻帶寬的帶通濾波器串聯(lián)一個頻帶窄的帶阻濾波器，得到雙頻帶通;而傳統(tǒng)的雙頻濾波器都是用單一的分布參數(shù)元件實現(xiàn)帶通和帶阻濾波器，這在微波段尤其是頻率越高的波段會有理想的濾波特性，缺點是體積大且一旦樣品完成，不方便后期的調(diào)試。集總分立元件的體積小，且方便樣品制成的后期調(diào)試，但不適用于過高的頻率范圍。

在此設(shè)計的無線雙頻濾波器將在相對低的頻段GSM(890~960 MHz)采用集總分立元件，而在DCS(1 710~1 880 MHz)頻段采用分布元件，合理的設(shè)計濾波器的級間耦合同時滿足兩個頻段的指標(biāo)，所制作出來的樣品測試結(jié)果和ADS仿真結(jié)果吻合，對設(shè)計雙頻濾波器具有重要參考意義。

1 系統(tǒng)組成和分析

1.1 雙頻濾波器研究狀況

雙頻帶通濾波器的設(shè)計方法主要有:濾波器組合法;原型濾波器變換法;利用耦合諧振濾波器的寄生通帶法[6]。以濾波器組合的設(shè)計方法為例，可以并聯(lián)兩個所需帶通濾波器得到所需雙頻通帶[7]，也可以一個寬帶帶通濾波器串聯(lián)窄帶帶阻濾波器來實現(xiàn)，串聯(lián)法的結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文采用這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，前端帶通濾波器采用的是分布參數(shù)元件，而帶阻濾波器部分采用的卻是集總分立元件，這樣就結(jié)合了兩種類型元件設(shè)計上的優(yōu)點，區(qū)別于傳統(tǒng)整個都用單一的分布元件的方式。

圖1 帶通，帶阻串聯(lián)組成雙頻濾波器

要得到GSM(890~960 MHz)/DCS(1 710~1 880 MHz)的雙頻帶通濾波器，則帶通濾波器頻帶為890~1 880 MHz之間，帶阻濾波器頻段為960~1 710 MHz之間。

1.2 帶通濾波器設(shè)計

采用平行耦合微帶線帶通濾波器設(shè)計寬頻帶通濾波器時有良好的特性，整個系統(tǒng)以50 Ω為匹配，頻帶為890~1 880 MHz之間，采用三階切比雪夫濾波器，耦合線微帶線尺寸計算如下[8-10]:

ω0=(890+1 880)/2，Δ=(1 880-890)/ω0(1)

g1=3.348 7，g2=0.711 7，

g3=3.348 7，g4=1.000(2)

J01Z0=(πΔ/2g1)，J01Z0=0.579 05，

Jn-1，nZ0=πΔ/2(gngn-1)，

J12Z0=0.727 31，

J23Z0=0.727 31，J34Z0=0.579 05(3)

將式(3)計算的值代入下式:

Z0e=Z0[1+Jn-1，nZ0+(Jn-1，nZ0)2]，

Z0o=Z0[1-Jn-1，nZ0+(Jn-1，nZ0)2](4)

可得式(5)中奇偶模阻抗:

Zo(0，1)=37.812 05 Ω，Ze(0，1)=95.712 05 Ω，

Zo(1，2)=40.083 30 Ω

Ze(1，2)=112.813 26 Ω，Zo(2，3)=40.083 30 Ω，

Ze(2，3)=112.813 26 Ω

Zo(3，4)=37.812 05 Ω，Ze(3，4)=95.712 05 Ω(5)

實驗選擇雙面覆銅板的參數(shù)為:介電常數(shù)εr=3.3，銅厚0.035 mm，板厚1.5 mm，損耗角tan δ=0.002 2，根據(jù)這些參數(shù)和式(5)，用ADS計算工具Line Calculator，并根據(jù)式(5)的值，可得微帶線的尺寸見表1;其中W表示耦合線寬度，D表示耦合線間距，L表示線長度。

表1 為目標(biāo)仿真前計算的耦合線尺寸mm

項目值項目值項目值項目值

W11.79W21.35W31.35W41.79

D10.16D20.15D30.15D40.16

L135.30L235.71L335.71L435.30

選擇高介電常數(shù)，尺寸還可以縮小6~8倍，實現(xiàn)小型化。ADS仿真帶通濾波器結(jié)果如圖2所示。

圖2 帶通濾波器的仿真頻率響應(yīng)

1.3 帶阻濾波器設(shè)計

采用集總分立元件設(shè)計帶阻濾波器，頻段為960~1 710 MHz之間。選用Murata的高頻專用電容和電感，具有良好的高頻特性。為了達(dá)到良好的帶內(nèi)衰減，需要選用高階濾波器，但是階數(shù)過高，也會增加通帶的衰減量，考慮選用五階切比雪夫濾波器。

分布元件濾波器因考慮高頻效應(yīng)所對應(yīng)的模型復(fù)雜很多，因而設(shè)計相對復(fù)雜;而集總元件的濾波器的設(shè)計模型單一，有許多LC濾波器共享軟件可以用來做仿真計算，圖3是帶通濾波器原理圖，圖4 是用ADS仿真的S(2，1)，S(1，1)頻率響應(yīng)。

圖3 帶阻濾波器的電路圖

圖4 帶阻濾波器的仿真頻率響應(yīng)

1.4 濾波器的組合

帶通和帶阻濾波器以50 Ω為匹配，級聯(lián)后的ADS原理圖如圖5所示。

直接組合后仿真出來的雙頻帶通曲線頻偏較大，這是由于級間有頻率響應(yīng)和耦合，需要進一步優(yōu)化參數(shù)，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，尺寸修正如表2所示。

表2 仿真優(yōu)化后的耦合線尺寸mm

項目值項目值項目值項目值

W10.50W20.51W30.51W40.50

D10.20D20.21D30.21D40.20

L135.06L238.52L338.52L435.06

試驗表明耦合線間距對整體的影響最大。

2 仿真結(jié)果分析

圖6是ADS軟件仿真的頻率響應(yīng)曲線。

曲線有一定的頻偏，傳輸參數(shù)S(2，1)在GSM頻段內(nèi)890 MHz為-2.9 dB，960 MHz為-1.8 dB，帶外衰減可達(dá)-30 dB以下，基本可認(rèn)為理想;而在DCS頻段內(nèi)1 710 MHz為-2.8 dB，1 880 MHz為-2.7 dB，頻率高于1 880 MHz時的衰減最多只達(dá)-22 dB。仿真結(jié)果顯示頻率響應(yīng)在GSM頻段內(nèi)明顯優(yōu)于DCS頻段，寄生電容和電感在低頻時要小于高頻時的效應(yīng)，實際設(shè)計時寄生效應(yīng)考慮得較少，在相對比較低的頻段，集總參數(shù)元件部分的集總模型還是適用的，但頻率越高時集總參數(shù)的模型越不適用，設(shè)計方法的偏差也逐步增大。

S(1，1)在GSM頻段內(nèi)可以到達(dá)-17 dB，在DCS頻段內(nèi)可到達(dá)-13 dB，反射特性在GSM頻段仍然優(yōu)于DCS頻段，由以上分析可知，集總混合在分布參數(shù)中進行設(shè)計可在2 GHz頻率以內(nèi)，2 GHz以上偏差將不可接受。

圖5 雙頻濾波器的原理圖

圖6 雙頻濾波器的頻率響應(yīng)

3 實物測量結(jié)果和仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對比分析

圖7是樣品實物，測量它的頻率響應(yīng)驗證方法的可行性。選用高介電常數(shù)介質(zhì)基板體積還可以縮小6~8倍。

圖7 雙頻濾波器實物

其中集總參數(shù)分立元件，即電容、電感部分可以調(diào)試，這使設(shè)計更加靈活。通過通孔把表層需要接地的部分連接到底層，經(jīng)過測試驗證，接地孔的數(shù)量對性能的影響很大，需要連接多個接地孔，才能使曲線比較平滑。

使用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 E8362b測量S(2，1)，S(1，1)所得的結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看到實測結(jié)果和仿真結(jié)果吻合。表3是實物和仿真的結(jié)果各選取四個通頻帶值作對比，數(shù)據(jù)也基本吻合。

圖8 實測雙頻濾波器的頻率響應(yīng)

表3 對比結(jié)果

頻點 /MHz仿真值實物值

S(2，1) /dBS(1，1) /dBS(2，1) /dBS(1，1) /dB

890-2.9 -10.8 -3.0-11.1

960-1.8-13.3-2.1-12.7

1 710-2.8-8.7-3.0-8.8

1 880-2.7-12.2 -2.9-11.3

仿真和實測都說明了GSM頻段特性優(yōu)于DCS頻段，說明該方法只可設(shè)計2 GHz頻率以內(nèi)的雙頻濾波器，2 GHz以上偏差將不可接受。

4 結(jié) 語

與傳統(tǒng)單一分布參數(shù)元件實現(xiàn)雙頻濾波器方法相區(qū)別，本文采用分布和集總分立元件相結(jié)合的方法，利用兩者設(shè)計上優(yōu)點的結(jié)合，可以在工程應(yīng)用中根據(jù)一定場合來應(yīng)用，完成符合要求的設(shè)計。在此所設(shè)計的GSM(890~900 MHz)/DCS(1 710~1 880 MHz)無線雙頻帶通濾波器實物參數(shù)S(2，1)在GSM(890~900 MHz)/DCS(1 710~1 880 MHz)頻段內(nèi)衰減均可小于3 dB，驗證了方法的可行性，該方法使雙頻濾波器的設(shè)計方法更靈活，但適用頻率范圍也有限。

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