馬德臣， 肖中銀， 相亮亮， 黃春艷， 寇 鑫， 吳效環(huán)

(上海大學通信與信息工程學院，上海200072)

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，同時工作在2個或多個頻帶的通信系統(tǒng)已成為無線通信研究的一個重要方向.雙頻帶濾波器是射頻前端的一個重要器件，其性能優(yōu)劣影響著整個通信系統(tǒng)，因此，小尺寸、低損耗、頻率選擇性高、低成本的濾波器將是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)研究的目標.雙頻帶濾波器最簡單的設計方法就是將2個不同頻率的帶通濾波器進行組合，但是這種濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸偏大，而且還需要額外的附加電路［1］.此外，還可以將一個寬帶通濾波器和一個阻帶濾波器進行串聯(lián)，用于設計雙頻帶濾波器，但同樣會使濾波器的尺寸偏大，且增加了設計成本［2］.平行耦合線的方法也可用于設計雙頻帶濾波器，方法雖然簡單，但結(jié)構(gòu)尺寸還是較大，其中文獻［3］中濾波器的長度達到了70 mm.近年來，階躍阻抗諧振器(stepped impedance resonator，SIR)因其結(jié)構(gòu)簡單和具有多頻特性而被廣泛應用于多頻帶濾波器的設計中［4-9］.在文獻［4］中，雖然帶外特性較好，但是帶內(nèi)插入損耗太大，2個通帶的插入損耗達到了5 dB.在文獻［5］中，雖然帶內(nèi)特性滿足要求，但是兩通帶間需要增加額外的傳輸零點以提高帶外抑制.在文獻［6-9］中，雖然通帶間性能及帶外性能較好，但是2個中心頻率存在不可調(diào)節(jié)的缺點.

為了實現(xiàn)2個中心頻帶可調(diào)、帶內(nèi)低插入損耗及通帶間高的隔離度，本研究設計了一種新穎的小型雙頻帶帶通濾波器.采用2個半波長SIR外加2個枝節(jié)，通過合理調(diào)節(jié)長度比和阻抗比，獲得了性能較好的2個中心頻率，分別為2.4和5.2 GHz;并且在低頻和高頻間產(chǎn)生一個傳輸零點，提高了帶外抑制，使插入損耗大于20 dB的隔離頻段為2.6～4.6 GHz.濾波器的整個尺寸僅為24 mm×30 mm.最后，加工并實測濾波器的性能，頻率響應的仿真和實驗測量結(jié)果基本吻合.

1 折疊型SIR雙頻帶帶通濾波器的設計原理

傳統(tǒng)的半波長SIR結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，它主要由兩段特性阻抗值不同的傳輸線組成.改進后的SIR結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，通過折疊2個枝節(jié)，使諧振器的尺寸變小.同時，該折疊型SIR能產(chǎn)生偶模和奇模2種模式，如圖1(c)所示.

當偶模激勵時，根據(jù)傳輸線理論，輸入阻抗為

諧振時，可得到

式中，R1e為阻抗比.由式(2)可知，偶模的諧振與電長度θ1e，θ2有關(guān)，也與阻抗比R1e有關(guān).

當奇模激勵時，根據(jù)傳輸線理論，輸入阻抗為

諧振時，可得到

圖1 階躍阻抗諧振器和奇偶模結(jié)構(gòu)Fig.1 SIRs and structures of odd-even modes

由式(4)可知，奇模的諧振與θ1o有關(guān).

通過電磁軟件Sonnet仿真，可以看出折疊型SIR的奇模和偶模分布.圖2所示為L不同時的奇偶模分布圖.可見，隨著L的減小，奇模的諧振頻率不變，而偶模的諧振頻率增大.

圖2 折疊型SIR的奇偶模分布Fig.2 Odd-even modes of folded SIR

圖3為本研究設計的濾波器結(jié)構(gòu).該濾波器是由2個折疊型SIR構(gòu)成，通過奇偶模分析，可以得到所要的中心頻帶2.4和5.2 GHz.因此，對于本研究設計的雙頻帶濾波器，通過改變低阻抗線的長度L，可以很好地控制第二頻帶的位置，調(diào)節(jié)較為方便.圖4所示為本研究設計的濾波器結(jié)構(gòu)的優(yōu)點.在不加枝節(jié)A和B的情況下，在第一通帶的下邊帶會出現(xiàn)一些雜波，不能滿足所要求的回波損耗;第二通帶外的回波損耗雖然滿足要求，但是帶內(nèi)只有15 dB.在加有枝節(jié)A和B的情況下，2個中心頻率并沒有明顯的變化，而且?guī)?nèi)回波損耗都達到了25 dB左右，改進了濾波器的性能.圖5所示為本研究所設計的雙頻帶帶通濾波器的實物圖.

圖3 提出的濾波器結(jié)構(gòu)Fig.3 Topology of proposed filter

圖4 加和不加A，B兩枝節(jié)的比較Fig.4 Comparison of with and without A，B stubs

2 仿真與測量結(jié)果

根據(jù)上述濾波器的理論分析，通過電磁仿真和優(yōu)化，最后確定了濾波器的尺寸為W1=6.0 mm，W2= 0.6 mm，W3=6.7 mm，L1=12.8 mm，L2=6.0 mm， L3=0.6 mm，L4=1.2 mm，L5=1.2 mm，L6= 7.2 mm，L7=1.8 mm，G=1.6 mm，S=0.2 mm.所選介質(zhì)板的介電常數(shù)為 εr=10.2，厚度為 h= 0.8 mm.整個濾波器的尺寸為24 mm×30 mm.測量結(jié)果是由矢量網(wǎng)路分析儀Agilent 8722ES測得，仿真和測量結(jié)果如圖6所示.測量結(jié)果顯示，2個中心頻率在2.4和5.2 GHz，第一通帶的回波損耗在20 dB以下，插入損耗小于0.2 dB，且3 dB相對帶寬為6.3%;第二通帶的回波損耗在20 dB以下，插入損耗小于0.5 dB，且3 dB相對帶寬為3.4%.測量結(jié)果表明，濾波器有一個傳輸零點，這是由抽頭線輸入輸出結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，而且這個傳輸零點提高了帶外抑制，使帶外插損達到了60 dB.但是相對于仿真結(jié)果，此頻率點發(fā)生了偏移，在兩通帶間，插損大于20 dB的隔離頻段為2.6～4.6 GHz.比較仿真和測量結(jié)果，整個頻帶的回波損耗和插入損耗存在一點偏差，諧振點產(chǎn)生偏移，這主要是由于材料介電常數(shù)的不均勻性、實物測量存在的介質(zhì)損耗、SMA接頭損耗以及輻射損耗等引起的，但測量結(jié)果總體與仿真結(jié)果基本吻合.

圖5 濾波器實物Fig.5 Photograph of fabricated filter

圖6 仿真和測量結(jié)果對比Fig.6 Comparison of simulated and measured results

3 結(jié)束語

本研究以半波長折疊型SIR為基礎(chǔ)，設計了一種應用于無線局域網(wǎng)的新穎的小型化雙頻帶帶通濾波器.通過改變阻抗比，能夠調(diào)節(jié)該濾波器中心頻率的位置，使中心頻率在2.4和5.2 GHz時的3 dB相對帶寬分別為6.3%和3.4%;并且在低頻和高頻間產(chǎn)生一個傳輸零點，提高了帶外抑制，使插入損耗大于20 dB的隔離頻段為2.6～4.6 GHz.電磁仿真和測量結(jié)果基本吻合.該濾波器結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、易加工，能適用于緊湊的通信系統(tǒng).

［1］ MIYAKEH，KITAZAWAS，ISHIZAKIT，et al.A miniaturized monolithic dual band filter using ceramic lamination technique for dual mode portable telephones［J］.IEEE MTT-S Int Microwave Symp，1997，2：789-792.

［2］ TSAIL C，HUSEC W.Dual-band bandpass filters using equallength coupled-serial-shunted lines and Z-transform technique［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2004，52(4)：1111-1117.

［3］ LEES，LEEY.A planar dual-band filter based on reduced-length parallelcoupled lines［J］. IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2010，20 (1)：16-18.

［4］ YEUNGL K，WUK L.A dual-band coupled-line balun filter［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2007，55(11)：2406-2411.

［5］ SUNS，ZHUL.Compact dual-band microstrip bandpass filter without external feeds［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2005，15(10)：644-646.

［6］ CHANGY C，KAOC H，WENGM H，et al.Design of the compact dual-band bandpass filter with high isolation for GPS/WLAN applications［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2009，19(12)：780-782.

［7］ WENGM H，WUH W，SUY K.Compact and low loss dual-band bandpass filter using pseudo-interdigital stepped impedance resonators for WLANs［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2007，17 (3)：187-189.

［8］ WANGJ P，WANGB Z，WANGY X，et al.Dual-band microstrip stepped-impedance bandpass filter with defected ground structure ［J］. Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2008，22(4)：463-470.

［9］ HUANGT H，CHENH J，CHANGC S，et al.A novel compact ring dual-mode filter with adjustable secondpassband for dual-band application ［J］. IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2006，16 (6)：360-362.