崔冬暖，王建輝

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所北京研發(fā)中心，北京 100070;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050081;3.北京工業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，北京 100022)

隨著通信行業(yè)和Internet的快速發(fā)展，視頻、圖像等多媒體業(yè)務(wù)已經(jīng)被引入個(gè)人移動(dòng)通訊設(shè)備;客戶(hù)從運(yùn)營(yíng)商獲得的服務(wù)也越來(lái)越多，語(yǔ)音、數(shù)據(jù)傳輸、游戲、視頻、上網(wǎng)、全球定位等，所以多頻通信系統(tǒng)已成為目前研究的熱點(diǎn)，雙頻或多頻濾波器更是研究重點(diǎn)。如果能設(shè)計(jì)出性能良好且能實(shí)現(xiàn)雙頻帶或多通帶特性的單個(gè)濾波器，整個(gè)收發(fā)機(jī)的體積必將會(huì)大幅減小，不但提高了整個(gè)系統(tǒng)可靠性，而且降低了設(shè)備成本，所以研究多頻濾波器的設(shè)計(jì)理論和方法對(duì)多頻通信收發(fā)機(jī)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

常見(jiàn)的多頻段濾波器設(shè)計(jì)方法有兩種:第一種，由多個(gè)濾波器通過(guò)不同方式組合構(gòu)成，包括:(1)寬通帶濾波器與帶阻濾波器串聯(lián)的組合［1－3］;(2)工作在不同頻率處的多個(gè)帶通濾波器的并聯(lián)組合［4－10］，這種方法設(shè)計(jì)的濾波器一般體積較大，損耗也不小。第二種方法是利用諧振器的寄生諧振頻率來(lái)設(shè)計(jì)多頻濾波器［11］，這種形式的濾波器存在的缺憾是兩個(gè)通帶特性是相互關(guān)聯(lián)的，設(shè)計(jì)的濾波器不夠靈活，兩個(gè)頻帶不能進(jìn)行獨(dú)立控制。

本文提出一種新穎的諧振結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)類(lèi)似于漢字“凸”，因此起名為“凸”型諧振器，通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)的諧振模式進(jìn)行分析，最后選用合適的饋電結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)設(shè)計(jì)雙頻濾波器。

1 雙頻濾波器的結(jié)構(gòu)

在多頻濾波器的設(shè)計(jì)中，高性能諧振器主要是指諧振器具有良好的諧振特性，尤其是前幾個(gè)諧振頻率較容易控制，直接關(guān)聯(lián)到多頻濾波器通帶頻率的可控性。采用的諧振器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由兩個(gè)相同的平行耦合線(xiàn)和兩段不同長(zhǎng)度的微帶線(xiàn)組成，其中諧振器兩端的耦合線(xiàn)長(zhǎng)度均為第一個(gè)通帶頻率處的λ1/4，另外兩段微帶線(xiàn)長(zhǎng)度為第二通帶頻率處λ2/4，3λ2/4，主要起著調(diào)節(jié)濾波器第二個(gè)通帶的作用。饋電方式采用同方向側(cè)面耦合饋電的形式，也可以把饋線(xiàn)彎折從左右兩面進(jìn)行饋電。

圖1 諧振器的結(jié)構(gòu)

2 “凸”型諧振器分析

采用弱耦合的方式對(duì)圖1的諧振器進(jìn)行分析，在仿真過(guò)程中考慮金屬損耗和介質(zhì)損耗，介質(zhì)板是Rogers 4350B的板材，介電常數(shù)是ε=4.38，介質(zhì)厚度是h=0.762 mm，損耗角正切δ=0.003 7。利用三維電磁仿真軟 Ansoft HFSS進(jìn)行建模，耦合線(xiàn)長(zhǎng)度是13 mm，線(xiàn)間距離為0.15 mm，線(xiàn)寬為0.35 mm，諧振器中間微帶線(xiàn)長(zhǎng)度為9 mm，線(xiàn)寬為0.35 mm，通過(guò)弱耦合饋入電磁波信號(hào)，得到諧振器的頻率響應(yīng)，圖2給出了仿真的諧振器的傳輸模式曲線(xiàn)，可以看到諧振峰的位置分別為 2.25 GHz、2.6 GHz、3.79 GHz、4.1 GHz。其中，諧振峰中 f1、f2靠得較近，f3、f4相鄰，這樣的頻率響應(yīng)使得可以利用該諧振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙頻濾波器，使f1、f2處于濾波器的第一通帶，f3、f4處于第二通帶。設(shè)諧振器兩端的耦合線(xiàn)長(zhǎng)度為l，研究諧振器的傳輸模式隨耦合線(xiàn)長(zhǎng)度l的變化，圖3給出了l分別為13 mm、15 mm、17 mm的諧振模式分布曲線(xiàn)。經(jīng)過(guò)圖中的觀察分析，隨著諧振器兩端耦合線(xiàn)長(zhǎng)度的增加，4個(gè)模式的諧振頻率整體向低頻率移動(dòng)。此時(shí)推斷參數(shù)不只是僅僅改變了濾波器的第一通帶的選頻特性，第二通帶的頻率位置也會(huì)受到影響，變化會(huì)比較大。

在仿真時(shí)選用側(cè)面饋電的形式，考慮到實(shí)際制作工藝的限制，耦合線(xiàn)間距太小不易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)要考慮到饋源與負(fù)載間只有得到充分的耦合，能量才能更好地進(jìn)行傳遞，綜合考慮，選取耦合饋線(xiàn)和諧振器的距離為0.15 mm。饋線(xiàn)與負(fù)載耦合線(xiàn)的長(zhǎng)度通過(guò)電磁仿真確定，如圖4所示，分別給出了耦合饋線(xiàn)長(zhǎng)度為l2=9 mm，L2=13 mm時(shí)濾波器的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)，圖中顯示，濾波器對(duì)第一通帶和第二通帶間的頻段抑制效果良好，但諧振峰f1、f2并沒(méi)有形成濾波器的第一個(gè)通帶。圖5給出了未加載開(kāi)路枝節(jié)的濾波器仿真結(jié)果。這就需要尋求一種方法把f1、f2組合到一起的辦法，通過(guò)在濾波器結(jié)構(gòu)上作一些變化，最終選取在諧振器底部中間位置加載一段開(kāi)路枝節(jié)的辦法解決。

在諧振結(jié)構(gòu)下方加載開(kāi)路枝節(jié)后的濾波器結(jié)構(gòu)如圖6所示，設(shè)開(kāi)路枝節(jié)的長(zhǎng)度為L(zhǎng);寬度為W，如何選擇加載的開(kāi)路枝節(jié)的長(zhǎng)度和寬度，枝節(jié)太長(zhǎng)會(huì)影響通帶頻率的位置，太短對(duì)濾波器的性能沒(méi)有改善，圖7給出了當(dāng)W=2.0 mm，L=2.5 mm和W=1.5 mm，L=3.0 mm時(shí)濾波器的頻率響應(yīng)，有圖中的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種情況下均不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。運(yùn)用HFSS的參數(shù)優(yōu)化功能，經(jīng)過(guò)多次仿真優(yōu)化分析，最終選取W=2.0 mm，L=3.0 mm。

圖3 諧振模式隨耦合線(xiàn)長(zhǎng)度l變化

圖4 未加載開(kāi)路枝節(jié)的濾波器響應(yīng)隨耦合饋線(xiàn)長(zhǎng)度的變化

圖5 未加載開(kāi)路枝節(jié)的濾波器仿真

圖6 雙頻濾波器的實(shí)物結(jié)構(gòu)

圖7 加載開(kāi)路枝節(jié)的頻率響應(yīng)

3 實(shí)物和測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證該濾波器結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了實(shí)物加工測(cè)量驗(yàn)證，加工采用的介質(zhì)板是Rogers 4350B的板材，介電常數(shù)ε=4.38，介質(zhì)厚度 h=0.762 mm，損耗角正切 δ=0.003 7。濾波器的實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖6，其中所標(biāo)記得參數(shù)尺寸為，w=2 mm，L=3 mm，L3=11 mm，L1=35 mm，L2=13 mm，g1=g2=0.15 mm，濾波器 S 參數(shù)測(cè)量采用Agilent N5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，稍加一個(gè)開(kāi)路枝節(jié)進(jìn)行微擾，為使信號(hào)源負(fù)載間無(wú)反射傳輸，采用合適的耦合饋電的辦法，測(cè)試結(jié)果如圖8所示，工作頻率是2.4 GHz和4.0 GHz，其中第一通帶的3 dB帶寬為260 MHz，第二通帶的3 dB帶寬為270 MHz，在兩個(gè)通帶之間的頻率部分抑制效果良好，實(shí)驗(yàn)證明文中提出的諧振器確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)雙頻帶的帶通濾波器響應(yīng)。

圖8 濾波器的頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新的諧振器結(jié)構(gòu)，稱(chēng)之為“凸”型諧振器，通過(guò)弱耦合饋入電磁波信號(hào)，得到諧振器的頻率響應(yīng)，對(duì)該結(jié)構(gòu)的諧振模式特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在0～5 GHz的頻段范圍內(nèi)，存在4個(gè)諧振峰，利用前兩個(gè)諧振峰構(gòu)造雙頻濾波器的第一個(gè)通帶，后兩個(gè)諧振峰構(gòu)造濾波器的第二個(gè)通帶，經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)，第一個(gè)通帶的效果不理想，通過(guò)在原有諧振器底部中央位置加上一段開(kāi)路枝節(jié)做改進(jìn)，選取合適的物理尺寸參數(shù)，可以減少濾波器的第一頻帶和第二頻帶之間的干擾，形成良好的多頻帶響應(yīng)。同時(shí)采取合適的輸入輸出饋電方式，構(gòu)造出一種新型結(jié)構(gòu)的雙頻濾波器。該濾波器結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)證明確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)雙頻帶的帶通濾波器響應(yīng)，實(shí)物工作頻率是2.4 GHz和4.0 GHz，其中第一通帶的3 dB帶寬為260 MHz，第二通帶的3 dB帶寬為270 MHz，位于兩個(gè)通帶之間的頻率抑制效果良好。

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