戴豪宇

(浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0　引言

近年來，手機(jī)和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展增加了對雙模式或多模式通信系統(tǒng)的需求[1]。

作為多頻帶無線系統(tǒng)最重要的元件之一，三通帶帶通濾波器在近些年獲得廣泛關(guān)注。為了滿足這一需求，人們已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，并且已經(jīng)開發(fā)了許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)具有三通帶響應(yīng)的高質(zhì)量濾波器，在各種現(xiàn)代通信系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

文獻(xiàn)[2]組合了3個(gè)獨(dú)立的濾波器來提供3個(gè)特定的通帶，文獻(xiàn)[3-4]則采用耦合矩陣優(yōu)化的方法來實(shí)現(xiàn)三波段響應(yīng)，然而這些濾波器的尺寸仍然不緊湊[2-4]。文獻(xiàn)[5-6]分別采用缺陷地和短截線加載結(jié)構(gòu)組成三通帶濾波器，但是它們的結(jié)構(gòu)都太過復(fù)雜。文獻(xiàn)[7]則采用三通帶階梯阻抗諧振器來獲得三通帶響應(yīng)，然而，由于通帶內(nèi)缺乏足夠的傳輸零點(diǎn)，這些濾波器從通帶到阻帶的過渡不夠尖銳。如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)橢圓形響應(yīng)的三通帶濾波器仍然需要進(jìn)一步研究。

本文提出一種由兩個(gè)分路短路截線[9]組成的三通帶諧振器，并將其應(yīng)用于三通帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)。這個(gè)三通帶諧振器的特點(diǎn)是它有多個(gè)傳輸零點(diǎn)，從而在通帶附近提供尖銳的衰減和有較好的隔離度?；谶@個(gè)新的諧振器可以獲得具有準(zhǔn)橢圓響應(yīng)[10]的三通帶濾波器[11]。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論，本文設(shè)計(jì)和測量了工作在2.64 GHz和5.6 GHz的雙極點(diǎn)三通帶BPF，測量結(jié)果證實(shí)了濾波器的仿真頻率響應(yīng)。

1　三通帶濾波器設(shè)計(jì)與分析

本文設(shè)計(jì)的三通帶諧振器[12]的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)諧振器由2個(gè)分路短路截線組成，2個(gè)短截線的特征阻抗、物理寬度和物理長度也在圖1中描述。

圖1　所提出諧振器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其中諧振器的輸入導(dǎo)納：

(1)

式中，c為光在真空中光的速度，εe為襯底有效電解質(zhì)常數(shù)。

通過解決以下等式獲得諧振器三頻諧振頻率：

Yin(foi)=0。

(2)

顯然，當(dāng)一個(gè)短路截線呈感性，另一個(gè)截線呈容性時(shí)，諧振器諧振。因?yàn)榻鼐€呈感性和容性是周期性的，對于上述等式這里有很多個(gè)解。為了小型化，只有最低的三個(gè)非零諧振在這里將會用來組成三通帶諧振器。

在諧振器的中心頻率定義它的電納斜率參數(shù)

(3)

然后在此頻率可以從等式(1)導(dǎo)出如下：

(4)

當(dāng)零點(diǎn)是由2個(gè)短路截線引起時(shí)，一旦2個(gè)短路截線中任何一個(gè)的電長度等于kπ(k= 1,2,...n)，則產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)。同時(shí)使用式(5)和式(6)可以很容易地得到它：

(5)

(6)

包括零頻在內(nèi)的最低4個(gè)解是所需要的零點(diǎn)，分別可以表示為fz1、fz2、fz3和fz4。

至于以上描述，調(diào)整包括它們的寬度和長度的兩個(gè)短路截線的尺寸將使諧振頻率和零頻率偏移到預(yù)期的位置。 預(yù)先確定包括它們的寬度和長度的兩個(gè)短路截線的尺寸，可以在給定的襯底上容易地計(jì)算3個(gè)諧振頻率和零點(diǎn)。圖2給出了諧振器的輸入導(dǎo)納，其尺寸如下：W1=0.56 mm,l1=23.7 mm,W2=0.78 mm,l2=30.2 mm。在此圖中可以清楚地觀察到3個(gè)諧振和4個(gè)零點(diǎn)。

圖2　典型情況下關(guān)于頻率的輸入導(dǎo)納

通過使用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)納變換器來連接所提出的三通帶諧振器，可以獲得具有三通帶準(zhǔn)橢圓響應(yīng)的濾波器。對于三通帶濾波器，每個(gè)通帶的導(dǎo)納變換器都不相同。據(jù)了解，還沒有發(fā)表三通帶導(dǎo)納濾波器。為了做出妥協(xié)，將變換器使用在中頻帶，即第二頻帶，盡管這會使第一和第三通帶無法靈活地調(diào)諧。所提出的濾波器等效電路如圖3所示。

圖3　提出的三通帶濾波器的等效電路

圖中的導(dǎo)納變換器可以通過四分之一波長傳輸線實(shí)現(xiàn)。假設(shè)所使用的諧振器是相同的。相應(yīng)地，傳輸線的特征阻抗和物理長度可以由下面的公式得出：

(7)

(8)

式中，F(xiàn)BW2為第二帶寬的分?jǐn)?shù)帶寬，β2是在fo2下的電納斜率參數(shù)，gi(i= 0,1,2,…,n)是原型低通濾波器的元件值。

2　測量結(jié)果和討論

為了驗(yàn)證該方法，設(shè)計(jì)仿真和測量典型情況。在此設(shè)計(jì)中使用的襯底具有相對介電常數(shù)2.65，厚度1 mm和損耗角正切0.004。 濾波器的布局如圖4所示，其尺寸為W1=0.8 mm,l1=29.3 mm,l2=22.3 mm,W2=0.56 mm,W12=0.52 mm,l12=12.55 mm,W01=W23=1.32 mm,l01=l23=12.6 mm,we=le=1 mm,re=0.6 mm。

濾波器的制造尺寸是38 mm×52 mm,約0.44λg×0.6λg，其中λg是在第一頻帶中心頻率的導(dǎo)波波長。圖5顯示了制造的濾波器的照片。

圖4　提出的濾波器布局

圖5　制造的三通帶微帶帶通濾波器的照片

濾波器仿真和實(shí)測結(jié)果如圖6所示。測量結(jié)果與ADS Momentum仿真結(jié)果非常吻合。 測量3個(gè)通帶的3 dB頻率范圍(分?jǐn)?shù)帶寬)中心在2.64、4和5.6 GHz，發(fā)現(xiàn)是1 840～2 940 MHz(42%)、4 090～3 890 MHz(5%)和5 270～6 060 MHz(14%)。這3個(gè)通帶測量的最小插入損耗以相同的順序分別為1.5、0.908和1.34 dB，并且由于4個(gè)零點(diǎn)位于0、3.45、4.72和7.24 GHz，每個(gè)通帶旁邊可以清楚地觀察到準(zhǔn)橢圓響應(yīng)，這有助于產(chǎn)生尖銳的過渡帶。相比較其他三通帶濾波器的優(yōu)勢在于其設(shè)計(jì)構(gòu)造簡便，且在其中使用導(dǎo)納變換器，可以使其小型化。

圖6　仿真和測量三通帶微帶線BPF

3　結(jié)束語

提出了一種新型的三通帶微帶線帶通濾波器。該濾波器由兩個(gè)導(dǎo)納變換器連接的三通帶諧振器組成。 每個(gè)諧振器由兩個(gè)短路短截線組合而成。新提出的諧振器具有多傳輸零點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，可以提高濾波器的性能。基于所提出的概念，設(shè)計(jì)制造和測量具有以2.6、4和5.6 GHz為中心的3個(gè)頻帶的二階濾波器。仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果的吻合很好地驗(yàn)證了所提出的結(jié)構(gòu)和方法。

[1]Lai M I,Jeng S K.Compact Microstrip Dual-band Bandpass Filters Design Using Genetic-algorithm Technique[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques,2006,54(1):160-168.

[2]Chen B J,Shen T M,Wu R B.Design of Tri-band Filters With Improved Band Allocation[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques,2009,57(7):1790-1797.

[3]Mokhtarri M,Borenemann J,Rambabu K,et al.Coupling Matrix Design of Dual and Triple Passband Filters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques,2006,54(11):3940-3946.

[4]Chen X P,Wu K ,Li Z L.Dual-band and Triple-band Substrate Integrated Waveguide Filters with Chebyshev and Quasi-Elliptic Responses[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques,2007,55(12):2569-2578.

[5]Ren L Y.Tri-Band Bandpass Filters Based on Dual-Plane Microstrip/DGS Slot Structure[J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters,2010,20(8):429-431.

[6]Chen F C,Chu Q X,Tu Z H.Tri-band Bandpass Filter Using Stub Loaded Resonators[J].Electronics Letters,2008,44(12):747-749.

[7]Chu Q X,Lin X M.Advanced Triple-band Bandpass Filter Using Tri-section SIR[J].Electron.Lett.,2008,44(4):295-296.

[8]Lee C H,Hsu C I G,Jhuang H K.Design of a New Tri-Band Microstrip BPF Using Combined Quarter-Wavelength SIRs[J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters,2006,16(11):594-596.

[9]王正偉,補(bǔ)世榮,羅正祥.寬阻帶三模諧振器微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,2012,32 (2):150-154.

[10] 張娟,李國輝,王志彬.基于慢波開環(huán)諧振器的雙模微帶濾波器[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,16(4):367-370.

[11] 馬明明,唐宗熙.基于CQ拓?fù)涞娜◣V波器的設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光,2017 ,39 (4) :561-564.

[12] 王菲,陳海華,胡方靖,等.基于多模諧振器的三通帶濾波器的設(shè)計(jì)[J].電子元件與材料,2017,36 (5):72-76.

[13] 王盛杰.高寄生響應(yīng)抑制小型化DBR濾波器的研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2014.