金秀梅， 李民權， 劉 坤， 孫家訓

（安徽大學 計算智能與信號處理教育部重點實驗室，安徽 合肥 230039）

在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中——特別是在射頻和移動通信系統(tǒng)中，結構緊湊的高性能帶通濾波器扮演著越來越重要的角色。隨著集成電路的發(fā)展，無線通信設備日趨小型化，加之頻譜資源有限，更加迫切需要小型化、通帶損耗低和帶外諧波抑制度高的帶通濾波器［1－2］。近年來，小型化和低損耗成為人們爭相研究的熱點，可以使濾波器固有階數(shù)減半的雙模濾波器備受關注。因此，各種結構的雙模濾波器應運而生［3－10］，如方形貼片、圓形貼片、三角形貼片和微繞環(huán)狀諧振器結構的雙模濾波器。文獻［3］首次提出將雙模的理念應用到平面濾波器設計中，并成功設計出雙模帶通濾波器。雙模濾波器主要是在單腔諧振器中利用微擾結構產生一對簡并模，在實際電路中可以等效為雙調諧電路，即單腔同時可以產生2個諧振頻率點，通過微擾的形式使得這2個頻率適當?shù)胤蛛x并相互耦合［4－5］。

本文采用較大介電常數(shù)的高頻PCB介質板材，運用L形輸入輸出諧振器。在方形貼片上嵌入方塊狀腐蝕結構作為微擾源，設計了一種方形貼片開十字交叉槽和開矩形窗口的雙模帶通濾波器。這種開槽結構有效地增加了基波的電流路徑，同時可使二次諧波的電流路徑保持不變，不僅有效加大了2種模式的隔離度，而且實現(xiàn)了濾波器的小型化。仿真結果表明，該濾波器性能良好，通帶兩側產生了2個傳輸零點，大大提高了帶外的抑制度；L形饋電結構也可引入一個傳輸零點，很好地延遲了寄生通帶，可使寄生通帶出現(xiàn)在3倍頻之后。

1 濾波器設計

1.1 單模結構諧波抑制帶通濾波器的設計

圖1所示為開槽處理的單模帶通濾波器平面拓樸結構，即在傳統(tǒng)的方形貼片單模諧振器上開2個十字交叉縫隙，輸入／輸出端采用L形諧振臂。為了減小濾波器的體積，對L形諧振臂進行適當?shù)膹澢幚?。之所以采用十字正交開縫和L形諧振器，是為了引入傳輸零點，提高濾波器的帶外選擇性能［7－8］，以獲得較好的帶外諧波抑制度。

圖1 單模結構帶通濾波器平面結構

利用Ansoft公司的基于電磁場有限元方法的高頻電磁仿真軟件HFSS對其進行三維建模，介質基板采用RogersRT6101，其介電常數(shù)為10.2，厚度h＝1.2mm，銅箔厚度0.035mm。濾波器的輸入／輸出端口阻抗為50Ω；正方形貼片的邊長為L，矩形槽的長度為L1，正方形微擾切槽的邊長為t。輸入／輸出諧振臂與貼片間的距離為0.2mm，改變諧振臂與方形貼片之間的距離可以相應地改變帶通濾波器的耦合度。為了減小插損，方形貼片的4個拐角做切角處理。

圖2所示展示了不同槽線長度L1對應于不同基模的諧振頻率，同時通過適當調整槽線長度L1可相應地引入傳輸零點，控制帶外的諧波，而槽線長短的變化對高次諧波分量幾乎沒有影響。隨著槽線長度L1的增加，帶通濾波器的基波諧振頻率相應地降低，與傳統(tǒng)方形貼片雙模濾波器相比，可以通過此方法減小濾波器體積，故選擇適當?shù)牟劬€可以使方形貼片濾波器實現(xiàn)小型化和良好的諧波抑制。

圖2 不同縫隙長度下的濾波器S（2，1）參數(shù)

1.2 雙模結構諧波抑制帶通濾波器的設計

諧波抑制方形貼片雙模帶通濾波器的平面結構如圖3所示，采用輸入／輸出端正交饋電結構、方形貼片切角形式以降低損耗；L形饋電臂引入傳輸零點以增加帶外諧波抑制；貼片開十字正交槽線以實現(xiàn)小型化和諧波抑制；通過細槽線鏈接的2個方形切槽對角排列作為微擾源，產生一對正交化簡并模式。采用這種結構的雙模諧振器很好地實現(xiàn)了小型化和通帶外高次諧波抑制，性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方形貼片雙模濾波器［11］。

圖3 雙模結構帶通濾波器平面結構

2 仿真結果及分析

借助三維電磁仿真軟件HFSS11進行輔助設計，其三維模型的主要尺寸見表1所列。

表1 帶通濾波器主要結構尺寸 mm

圖4所示給出了變量L2的不同取值情況下，雙模帶通濾波器的S（2，1）圖形，選擇合適的L2值可以在通帶外相應地引入傳輸零點，得到較好的帶外諧波抑制度。

圖4 不同L2長度下的濾波器S（2，1）參數(shù)

通過軟件的多次仿真優(yōu)化，雙模帶通濾波器的S參數(shù)曲線如圖5所示。仿真結果表明，所提出的雙模帶通濾波器性能優(yōu)越，中心頻率為1.56GHz，帶內最大插損小于1.5dB，帶外諧波抑制良好，諧波被抑制到－30dB以下，寄生通帶被推移到基波的3倍頻以外，諧波中心頻率出現(xiàn)在4.7GHz左右，所提出的濾波器性能優(yōu)于文獻［7］中提出的濾波器。

圖5 濾波器仿真結果

3 結束語

本文在傳統(tǒng)平面微帶方形貼片雙模諧振器的基礎上，提出一種開有十字交叉槽的貼片諧振器結構；通過開方孔添加微擾的方式和設置L形饋電輸入／輸出的模式，結合十字交叉槽引入傳輸零點，實現(xiàn)了一款性能良好的小型化諧波抑制雙模帶通濾波器；具體分析了該濾波器的工作機理和結構參數(shù)對其特性曲線的影響規(guī)律。它可以應用于平面微波電路的設計當中，并對無線通信系統(tǒng)中濾波器的研究與設計具有較大的參考價值，應用前景十分廣闊。

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