姜逸飛,孟令琴,楊廣立

(1．上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點實驗室,上海 200072; 2.東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室,南京 210096)

新型三階SIR高阻帶抑制雙通帶濾波器

姜逸飛1,2,孟令琴1,2,楊廣立1

(1．上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點實驗室,上海 200072; 2.東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室,南京 210096)

采用三階信噪比(signal to interference ratio,SIR)干擾諧振器作為基本諧振單元,通過調(diào)整阻抗比控制主頻和第一雜散頻率的位置,設(shè)計了一種新型高阻帶抑制雙通帶濾波器.濾波器第一通帶由主諧振頻率產(chǎn)生,第二通帶由第一雜散頻率產(chǎn)生.運用三角耦合結(jié)構(gòu)作為該濾波器的拓撲結(jié)構(gòu),使得整體濾波器呈現(xiàn)出帶外傳輸零點和阻帶的高抑制度.使用交指型耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輸入/輸出端的強耦合,得到較高的外部品質(zhì)因數(shù).該濾波器的兩個通帶中心頻率分別為1.57 GHz(GPS)和2.5 GHz(4G),3 dB帶寬分別為4.0%和2.4%.結(jié)果表明,測量結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合.

三階SIR諧振器;三角耦合結(jié)構(gòu);高抑制度;傳輸零點

隨著現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的發(fā)展,尤其是多頻通信系統(tǒng)的崛起,頻譜資源日益緊張,電磁干擾情況日益嚴(yán)重.這一系列問題的產(chǎn)生使得在通信系統(tǒng)中起著頻率選擇、抑制干擾作用的多頻濾波器引起了學(xué)者的廣泛重視.微波濾波器以其低成本、輕重量和易加工等優(yōu)點,越來越多地被應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中.近年來,多種無線通信協(xié)議得到發(fā)展,隨之而來的是多頻系統(tǒng)成為研究熱點,其中微帶雙頻濾波器受到越來越多的關(guān)注[1-5].雙頻濾波器的設(shè)計方法有很多種,比較常見的有單通帶濾波器組合法產(chǎn)生雙通帶響應(yīng)[1]、雙/多模諧振法[2-4]及雙通帶傳輸函數(shù)法[5]等.Miyake等[1]通過將兩個單通帶濾波器并聯(lián)實現(xiàn)雙通帶的濾波器特性,這種結(jié)構(gòu)的缺點是物理體積大、帶內(nèi)損耗大;Zhang等[2]介紹了方形諧振器的簡并模分裂法構(gòu)成的雙通帶濾波器,這種結(jié)構(gòu)的劣勢在于物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工難度大;Liu等[3]和Chen等[4]描述了階躍阻抗諧振器構(gòu)成的雙通帶濾波器,但其雜散頻率影響大、通帶間抑制度不理想.

本工作基于傳統(tǒng)的三階信噪比(signal to interference ratio,SIR)干擾諧振器,提出了一種新型高阻帶抑制三階SIR濾波器.該濾波器分別通過調(diào)整兩組阻抗比,使主頻和第一雜散頻率出現(xiàn)在需要的工作頻段,同時使第二雜散頻率遠離工作頻段;另外,通過引入三角形拓撲結(jié)構(gòu),使兩個通帶的上、下阻帶各自出現(xiàn)一個傳輸零點,同時實現(xiàn)通帶間的高隔離度,最終設(shè)計濾波器分別工作于1.57 GHz(GPS)和2.5 GHz(4G)2個頻段;最后,對濾波器進行加工和測量,并對其性能進行了分析.

1 設(shè)計理論

1.1 三階SIR諧振器

1.1.1 三階SIR的諧振特性

圖1為三階SIR諧振器的基本結(jié)構(gòu),如果忽略諧振器結(jié)構(gòu)的階躍不連續(xù)性和邊緣電容效應(yīng)影響,則諧振器端口的輸入導(dǎo)納[6]為

圖1 三階SIR諧振器Fig.1 Tri-section SIR resonator

由式(4)可得該諧振器的多個諧振頻點及各個頻點對應(yīng)的電長度.設(shè)主頻為f0,第一雜散頻率為f1,第二雜散頻率為f2,其對應(yīng)的電長度分別為θ0,θ1,θ2,則

三階階躍阻抗諧振器總電長度為

由式(5)～(7)可得第一雜散頻率與主頻及第二雜散頻率與主頻的比值分別為

式(9)和(10)為三階SIR諧振器的主要設(shè)計公式.可以運用式(9),通過調(diào)整兩組阻抗比和電長度θ0將主頻和第一雜散頻率設(shè)置在需要的兩個工作頻點;同時運用式(10),通過調(diào)節(jié)兩組阻抗比使得第二雜散頻率遠離第二個工作頻段,從而保證第二通帶的選頻特性.

1.1.2 三階SIR的諧振點控制

基于上述理論部分的討論,在設(shè)計濾波器時可以通過如下方式來控制諧振頻率的設(shè)置: (1)將三階階躍阻抗的電長度統(tǒng)一設(shè)置為θ,滿足主頻f0的諧振位置;

(2)在滿足第二雜散頻率f2遠離第一諧振頻率f1的動態(tài)范圍內(nèi)變化阻抗比;

(3)根據(jù)所需的第一雜散頻率f1的位置變化阻抗比K1,K2.

圖2為不同阻抗比所對應(yīng)f1的變化趨勢.圖中,隨著K1逐漸變大、K2逐漸變大,保持主頻f0不變的同時,使得第一雜散頻率f1逐步上升.

1.2 耦合拓撲結(jié)構(gòu)

已有的三階SIR諧振器通常只是將兩個諧振節(jié)點串聯(lián)或者并聯(lián)[7-10],這種簡單的組合形式無法實現(xiàn)較好的選頻特性,即傳輸零點的產(chǎn)生以及通帶間的良好抑制度.為了產(chǎn)生傳輸零點和通帶間高抑制度,本工作率先將三角形拓撲結(jié)構(gòu)引入三階SIR濾波器.圖3為三角形拓撲結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由3個諧振節(jié)點構(gòu)成,其主通路為第一諧振器到第二諧振器再到第三諧振器,另外第一和第三諧振器之間存在副通路.根據(jù)文獻[11],當(dāng)主通路為電耦合,同時副通路為磁耦合時,在主頻諧振點的左側(cè)將形成一個傳輸零點;與此同時,第一雜散頻率也將在通帶右側(cè)產(chǎn)生一個傳輸零點.

圖2 三階SIR諧振器頻點分布Fig.2 Frequency of tri-section SIR resonator

圖3 三角形拓撲結(jié)構(gòu)Fig.3 Tri-section topology structure

1.3 三階SIR濾波器的強耦合結(jié)構(gòu)

如果要獲得較好的濾波性能,就需要實現(xiàn)足夠小的帶內(nèi)插損.根據(jù)文獻[12],如圖4所示的交趾耦合結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)輸入/輸出端口的強耦合,這種強耦合可以大大提高濾波器的外部品質(zhì)因數(shù),從而改善濾波器的帶內(nèi)插損.

圖4 交趾耦合結(jié)構(gòu)Fig.4 Interdigital fnger coupling structure

2 濾波器設(shè)計

2.1 拓撲結(jié)構(gòu)分析

為了設(shè)計符合上述拓撲結(jié)構(gòu)的濾波器,本工作在圖1的基礎(chǔ)上將基本諧振單元進行彎折.通過三維電磁仿真得到如圖5和6的電磁場分布.從圖中可知,當(dāng)發(fā)生諧振時諧振器兩臂為強電場,中間為強磁場.當(dāng)滿足一定的物理結(jié)構(gòu)時,可以實現(xiàn)前文介紹的三角形拓撲結(jié)構(gòu).

2.2 濾波器設(shè)計結(jié)構(gòu)

圖7為本工作提出的三階SIR高阻帶抑制雙通帶濾波器,其中3個三階SIR諧振器為基本諧振單元.為了實現(xiàn)高阻帶抑制,需將諧振單元進行彎折后,滿足三角形拓撲結(jié)構(gòu).通過調(diào)整3個諧振單元的耦合距離和耦合尺寸使得在濾波器的第一通帶左側(cè)和第二通帶右側(cè)分別產(chǎn)生一個傳輸零點,這兩個傳輸零點的產(chǎn)生大大提高了所設(shè)計濾波器的選頻特性.另外,由于3個諧振節(jié)點的交叉耦合,使得兩個通帶間的抑制度非常高.

圖5 電場分布Fig.5 Plot of electric feld

圖6 磁場分布Fig.6 Plot of magnetic feld

圖7 三階SIR濾波器Fig.7 Tri-section SIR flter

所設(shè)計濾波器指標(biāo)如下:第一通帶中心頻率為1.57 GHz,相對帶寬為4.0%,帶內(nèi)回波損耗大于15 dB,傳輸零點位于1.52 GHz;第二通帶中心頻率為2.5 GHz,相對帶寬為2.4%,帶內(nèi)回波損耗大于15 dB,傳輸零點位于2.7 GHz.兩通帶間的回波損耗大于38 dB,實現(xiàn)了阻帶的高抑制度,較好地隔離了2個通帶間的干擾.濾波器最終的設(shè)計尺寸如表1所示.

3 加工與測試

根據(jù)濾波器的仿真模型,利用標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板工藝對濾波器進行加工.加工所用基板材料為Rogers5880,厚度為0.787 mm,介電常數(shù)為2.2,濾波器實物如圖8所示.通過Keysight N5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量,可得到濾波器的仿真與測量結(jié)果(見圖9).

表1 濾波器結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Dimensions of the proposed fltermm

圖8 濾波器實物圖Fig.8 Photograph of the proposed flter

圖9 濾波器頻響特性仿真與測試結(jié)果Fig.9 Simulated and measured results of frequency responses of the proposed flter

由圖9可以看出,濾波器的實測結(jié)果與仿真結(jié)果的吻合度較高,驗證了本設(shè)計的有效性.實測濾波器的兩個通帶內(nèi)的最大插損為1.9 dB,帶內(nèi)回波損耗皆大于13 dB.第一通帶左側(cè)出現(xiàn)一個傳輸零點,第二通帶右側(cè)出現(xiàn)一個傳輸零點.兩個通帶之間的抑制度較好,回波損耗實測大于40 dB.第二通帶右側(cè)的阻帶性能也較好,3.5 GHz處回波損耗仍大于20 dB.但實測結(jié)果中第一通帶帶寬比仿真結(jié)果有所減小,左側(cè)傳輸零點向通帶靠近,造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于加工誤差、基板的不均勻性和SMA(sub miniature A)接頭的焊接損耗.總之,本設(shè)計仍然實現(xiàn)了高阻帶抑制度的性能.

4 結(jié)束語

本工作研究了由三階SIR諧振器構(gòu)成的三角形拓撲結(jié)構(gòu)的阻帶抑制性能,并在此基礎(chǔ)上引入強耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計了新型高阻帶抑制的雙通帶濾波器.測試與仿真結(jié)果表明,所設(shè)計濾波器的帶間抑制達到?40 dB,高頻段的20 dB阻帶頻率達到了3.5 GHz以上,第二雜散頻率遠離主通帶和第二通帶.相比較于傳統(tǒng)的SIR或三階SIR諧振器,本設(shè)計的阻帶抑制度明顯提高,帶間的抑制度得到明顯改善;同時保留了微帶濾波器的低成本、易加工、高性能的優(yōu)點,能夠廣泛適用于微波電路與系統(tǒng).

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A novel tri-section SIR dual-band flter with high stopband rejection

JIANG Yifei1,2,MENG Lingqin1,2,YANG Guangli1
(1.Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks,Shanghai University,
Shanghai 200072,China;
2.State Key Laboratory of Millimeter Waves,Southeast University,Nanjing 210096,China)

A dual-band flter with high stopband rejection is designed using a tri-section signal to interference ratio(SIR)resonator.The center frequencies and frst spurious frequencies of resonators can be controlled independently to design aspecifc dual-band flter.The tri-section coupling structure is aimed at transmission zeros and high stopbands rejection.To get a high external quality factor,an inter-digital fnger coupling structure is introduced.The flter has dual passband center frequencies of 1.57 GHz(GPS)and 2.5 GHz(4G),with 3 dB fractional bandwidths of 4.0%and 2.4%,respectively.Measured results well agree with simulations.

tri-section signal to interference ratio(SIR)resonator;tri-section coupling structure;high stopband rejection;transmission zero

TN 713

A

1007-2861(2017)01-0147-08

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.019

2015-02-03

上海市科委重點實驗室資助項目(08DZ2231100);上海市重點學(xué)科建設(shè)資助項目(S30108);毫米波國家重點實驗室開放課題經(jīng)費資助項目(K201324)

孟令琴(1965—),女,副教授,博士,研究方向為微波及毫米波新技術(shù).E-mail:menglq@shu.edu.cn