鄭曉緣,雷 濤,向天宇,宋小偉
(貴州師范大學(xué) 大數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽 550025)
具備高集成度和高選擇性的帶通濾波器是無線射頻通信前端的關(guān)鍵器件。近年來,大量的研究致力于提高濾波器的選擇特性和阻帶抑制能力[1-5]。其中,一種方式是通過增加傳統(tǒng)濾波器中耦合諧振器的階數(shù),例如平行耦合結(jié)構(gòu),發(fā)夾結(jié)構(gòu),交指結(jié)構(gòu)和梳狀線結(jié)構(gòu)等[6];另一種方式是引入交叉耦合結(jié)構(gòu)以獲得阻帶中的傳輸零點(diǎn),例如級(jí)聯(lián)三胞(CT)結(jié)構(gòu)和級(jí)聯(lián)四胞(CQ)結(jié)構(gòu)[7]。但上述兩種方式都存在電路尺寸大,插入損耗高的缺點(diǎn);第三種方式則使用雙模或多模諧振器,通過引入交叉耦合或源-負(fù)載耦合來增加有限個(gè)傳輸零點(diǎn)[8-11],這種方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊和插入損耗低的優(yōu)點(diǎn),但由于單階濾波器器件結(jié)構(gòu)的局限性,大多數(shù)此類濾波器阻帶抑制約為25 dB,難以滿足工程應(yīng)用需求。
對(duì)于多業(yè)務(wù)無線收發(fā)器中的濾波器設(shè)計(jì),一般通過多對(duì)諧振器來實(shí)現(xiàn)多通帶響應(yīng),因此整體電路尺寸相對(duì)較大[12-14]。在文獻(xiàn)[15]中提出了一款單環(huán)諧振器結(jié)構(gòu),其利用自身存在的3對(duì)簡(jiǎn)并模實(shí)現(xiàn)具有三通帶響應(yīng)的帶通濾波器設(shè)計(jì),但該結(jié)構(gòu)仍未能克服尺寸較大的缺點(diǎn)。
綜上所述,本文提出了一種改進(jìn)型平行耦合線(MPCL)結(jié)構(gòu),利用等效電路模型和奇偶模原理對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析,并基于MPCL結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩款結(jié)構(gòu)新穎且具有高選擇性的小型化微帶帶通濾波器。其中,第一款濾波器通過半波長(zhǎng)開路諧振器的基模和高階模實(shí)現(xiàn)了三通帶響應(yīng),并在通帶附近產(chǎn)生7個(gè)傳輸零點(diǎn),顯著提高了每個(gè)通帶的帶外選擇特性;第二款濾波器利用三階諧振器實(shí)現(xiàn)模式間的交叉耦合,分別于上下阻帶各產(chǎn)生1個(gè)傳輸零點(diǎn),進(jìn)一步提高了該濾波器的選擇性和阻帶抑制度,具有良好的應(yīng)用前景。
MPCL的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,主要由1個(gè)半波長(zhǎng)開路諧振器和2條連接到50 Ω輸入/輸出(I/O)饋線的開路微帶線組成。濾波器的等效電路如圖1(b)所示,其中V1,V2…,V6,I1,I2…,I6為對(duì)應(yīng)端口的電壓和電流。通過等效電路模型可研究MPCL結(jié)構(gòu)的濾波特性,其終端條件滿足下式:
圖1 (a) MPCL-物理結(jié)構(gòu) (b)MPCL-等效電路模型Fig.1 (a) The schematic of the MPCL and (b)The equivalent circuit model for the MPCL
I2=0,I4=0,I5=0,I6=0
(1)
圖2為傳輸帶線電路模型在不同耦合間隙S1下的頻率響應(yīng)。由圖可知,通帶中僅存在1個(gè)諧振頻率,帶寬由耦合間隙決定,間隙越小則帶寬越大。其中,下阻帶中的傳輸零點(diǎn)由I/O饋線連接的2條開路微帶線之間進(jìn)行交叉耦合產(chǎn)生[16]。
圖2 不同耦合間隙S1下的頻率響應(yīng)特性曲線Fig.2 Simulated frequency responses of transmission line circuit model against different coupling space S1
由于本文所提濾波器結(jié)構(gòu)對(duì)稱,故采用奇偶模原理來進(jìn)一步分析產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的原因。圖3(a)和圖3(b)對(duì)應(yīng)了奇模和偶模的等效電路模型,其中,θ1、Z1分別表示微帶線的電長(zhǎng)度和特征阻抗,而Z0o、Z0e、θ0則分別表示耦合線的奇模和偶模的阻抗和電長(zhǎng)度。假設(shè)θ0=θ1=θ,則奇偶模所激勵(lì)的輸入阻抗可分別簡(jiǎn)化為[17]:
圖3 (a)奇模等效電路模型 (b)偶模等效電路模型Fig.3 (a) Odd-mode equivalent circuit and (b)Even-mode equivalent circuit
(2)
(3)
濾波器阻帶中的零點(diǎn)可通過Zine=Zino來確定。 因此,可以計(jì)算出傳輸零點(diǎn)位置:
n= 0,1, 2, 3…
(4)
n= 0,1, 2, 3…
(5)
其中,f0是當(dāng)θ=π/2時(shí)基模的諧振頻率。在高階模式(2nf0,2(n+1)f0)中,每個(gè)頻率范圍內(nèi)都可產(chǎn)生2個(gè)傳輸零點(diǎn),大大提高了每個(gè)通帶的選擇性。
基于上述分析,本文選擇半波長(zhǎng)開路諧振器作為基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款三通帶濾波器,整體物理結(jié)構(gòu)如圖4所示。利用半波長(zhǎng)開路諧振器的基模和高階??僧a(chǎn)生多個(gè)通帶,其中心頻率分別位于f0,3f0,5f0,…(2n+1)f0,帶寬主要由耦合間隙S1決定,且在每個(gè)頻率范圍(2nf0,2(n+1)f0)中,都有1對(duì)傳輸零點(diǎn)位于相應(yīng)通帶的兩側(cè),以提高帶內(nèi)外選擇性能。利用公式(4)和(5)可計(jì)算得到傳輸零點(diǎn)的位置。
圖4 三通帶濾波器物理幾何結(jié)構(gòu)Fig.4 Layout of the tri-band BPF
經(jīng)初步仿真表明,該三通帶濾波器工作頻率在3.5 GHz、10.5 GHz和17.5 GHz,其分?jǐn)?shù)帶寬分別為:45.7%、15.4%和9.3%。其中,微帶線長(zhǎng)度由L1=L2=λg/4確定,λg為第一個(gè)通帶中心頻率處的波導(dǎo)波長(zhǎng)。該濾波器介質(zhì)基板材料為RT/D 5 880,厚度為0.508 mm,相對(duì)介電常數(shù)為εr=2.2。濾波器的初始幾何參數(shù)為:W1=0.2 mm,W2=0.4 mm,S1=0.2 mm,W3=1.52 mm(50歐姆I/O饋線阻抗匹配)。因此,可計(jì)算得出相應(yīng)的阻抗值Z0o=67.8 Ω,Z0e=176.6 Ω,Z1=128.7 Ω。最后,根據(jù)式(4)和(5),零點(diǎn)的頻率位置計(jì)算如下:
fz11=0.51f0,fz21=1.49f0,fz12=2.51f0
fz22=3.49f0,fz13=4.51f0,fz23=5.49f0
本文利用ADS電磁仿真軟件針對(duì)濾波器的幾何尺寸對(duì)通帶頻率和帶寬的影響進(jìn)行了優(yōu)化仿真。如圖5(a)所示,隨著長(zhǎng)度L1的增加,3個(gè)通帶的中心頻率均向低頻偏移。從圖5(b)可看出,耦合間隙對(duì)3個(gè)通帶的帶寬均存在影響。在圖5(C)中,調(diào)節(jié)長(zhǎng)度L2,第一通帶帶寬保持不變,第二通帶和第三通帶的帶寬隨著其增加而減小。
圖5 (a) (b) (c)分別為L(zhǎng)1,S1,L2對(duì)|S21|的影響Fig.5 (a)Simulated insertion loss at variousL1,(b)S1and (c)L2
經(jīng)優(yōu)化得到最佳尺寸參數(shù)如下:L1=16.8 mm,L2=14.9 mm,W1=0.2 mm,W2=0.4 mm,S1=0.14 mm。加工后的濾波器實(shí)物如圖6所示。濾波器尺寸為33.2 mm×1.08 mm,相對(duì)尺寸為0.48λg×0.013λg。從圖7中可看出,3個(gè)通帶的中心頻率分別位于3.5 GHz、10.5 GHz和17.2 GHz,相對(duì)帶寬分別為45.7%、15.4%和9.3%,最小插入損耗為0.3 dB,回波損耗均小于-18 dB,共產(chǎn)生7個(gè)傳輸零點(diǎn),顯著提高了濾波器的帶外選擇特性。表1給出了本設(shè)計(jì)與其他文獻(xiàn)的三通帶濾波器的對(duì)比結(jié)果,體現(xiàn)了該濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,尺寸緊湊,選擇性更高的優(yōu)勢(shì),其缺點(diǎn)是3個(gè)通帶的中心頻率不能獨(dú)立調(diào)諧。
圖6 三通帶濾波器實(shí)物圖Fig.6 Photograph of the tri-band BPF
圖7 三通帶濾波器的仿真和測(cè)試結(jié)果Fig.7 Simulated,measured S-parameters of the proposed tri-band BPF
表1 本設(shè)計(jì)同其他文獻(xiàn)的三通帶濾波器的對(duì)比Tab.1 Comparison with other reported tri-band BPFs
基于上述第一款濾波器的設(shè)計(jì)原理,為了進(jìn)一步改善濾波器的選擇特性和阻帶抑制度,通過增加諧振器的階數(shù),實(shí)現(xiàn)了上下阻帶分別引入1個(gè)傳輸零點(diǎn)的3階帶通濾波器。圖8給出了該濾波器的物理結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)與梳狀線濾波器類似,3個(gè)相同長(zhǎng)度的微帶線作為半波長(zhǎng)開路諧振器,通過交叉耦合于通帶兩側(cè)成功引入了1對(duì)傳輸零點(diǎn),顯著提高了通帶的選擇特性和帶外抑制度。
圖8 三階帶通濾波器物理結(jié)構(gòu)Fig.8 Layout of the three-order BPF
如圖9所示,濾波器在弱耦合條件下的傳輸響應(yīng)表明,通帶中產(chǎn)生了3個(gè)諧振頻率(f1,f2,f3),分別對(duì)應(yīng)了3個(gè)諧振器的諧振模式。通過改變參數(shù)L2和L3,可靈活控制通帶的中心頻率。在圖10(a)中,帶寬主要與耦合間隙S1有關(guān),S1越小,帶寬也就越寬。圖10(b)證實(shí)了隨著耦合間隙S2的增大,帶內(nèi)回波損耗逐漸減小,而帶寬保持不變。
圖10 (a) (b) 分別為參數(shù)S1和S2的濾波器頻率響應(yīng)S曲線圖Fig.10 (a)Simulated S-parameters at variousS1and(b)S2
總結(jié)該濾波器設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)步驟:首先,由中心頻率確定帶線諧振器L2和L3的長(zhǎng)度;其次,調(diào)節(jié)S1實(shí)現(xiàn)預(yù)期的帶寬;最后,通過優(yōu)化參數(shù)S2以降低帶內(nèi)回波損耗。
表2 本設(shè)計(jì)同其他文獻(xiàn)的帶通濾波器的對(duì)比Tab.2 Comparison with other reported BPF
經(jīng)優(yōu)化得到最終尺寸參數(shù)如下:L1=10.2 mm,L2=19.2 mm,L3=19.2 mm,L4=5.8 mm,L5=3.2 mm,W1=0.2 mm,W2=0.4 mm,W3=0.4 mm,S1=1.2 mm,S2=0.45 mm。該濾波器實(shí)物如圖11所示,其物理尺寸為25 mm×4.9 mm,相對(duì)尺寸為0.66λg×0.13λg,其中λg為5.8 GHz處的波導(dǎo)波長(zhǎng)。從圖 12 中可看出, 測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果相吻合,通帶的中心頻率為5.8 GHz,F(xiàn)BW約為6.9%,最小插入損耗為1.3 dB,回波損耗低于-20 dB。通帶兩側(cè)3.4 GHz和7.1 GHz處各引入了1個(gè)傳輸零點(diǎn),通帶選擇性得到進(jìn)一步提高,且阻帶抑制度優(yōu)于50 dB。
圖11 3階帶通濾波器實(shí)物圖Fig.11 Photograph of the three-order BPF
圖12 帶通濾波器性能仿真及測(cè)試結(jié)果Fig.12 Simulated and measured BPF performances
本文提出了2款基于改進(jìn)型MPCL結(jié)構(gòu)的小型化微帶帶通濾波器。對(duì)于第一款濾波器,可有效控制3個(gè)通帶的中心頻率和帶寬,7個(gè)傳輸零點(diǎn)顯著提高了帶外選擇性。對(duì)于第二款濾波器,通過3階帶線諧振器交叉耦合在通帶兩側(cè)各引入了1個(gè)傳輸零點(diǎn),在提高帶外選擇性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高阻帶抑制。本文所設(shè)計(jì)的2款濾波器均具有插損低,頻率選擇性好和阻帶抑制度高的優(yōu)勢(shì),且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于加工,能有效適應(yīng)無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求。