基于慢波开环谐振器的双模微带滤波器

张 娟, 李国辉, 王志彬

(上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海 200072)

基于慢波开环谐振器的双模微带滤波器

张 娟, 李国辉, 王志彬

(上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海 200072)

设计一种新型的基于慢波开环谐振器的双模微带滤波器.该滤波器采用长度变化的微扰方式,增加了开路枝节线作为容性负载,实现了滤波器的小型化设计.与传统结构相比,该滤波器在相同的谐振频率下尺寸减小了19%,具有准椭圆函数响应,在中心频率 2.4 GHz处的带宽为 4%,且测量和仿真结果比较吻合.

双模滤波器;微扰方式;开路枝节;小型化;高选择性

Abstract:A novel dual-modemicrostrip filterwith a slow-wave open-loop resonator hasbeen designed.It uses a perturbation arrangement of length change and includes open stubs as capacitive loads,leading to size reduction of the filter.Compared with the traditional dual-mode filter at the same design frequency,the p roposed filter can significantly reduce the circuit size of 19%,and possesses a quasi-elliptic response.A bandpass filter with a 4%bandwidth centered at 2.4 GHz has been achieved.Themeasured results agree well with simulations.

Key words:dual-mode filter;perturbation mode;open stub;miniaturization;high selection

1972年,Wolff[1]首次提出了基于双模环形谐振器的微带带通滤波器.双模滤波器具有小型化、低损耗和易产生传输零点等优势,广泛地应用于无线通信系统[2].在通常情况下,双模谐振器的输入输出馈线呈正交放置,而对角线上的小贴片、小缺口或枝节线形成微扰并激起互相耦合的两个简并模式[3].通过调整馈线和微扰位置,这种基于双模谐振器的微带带通滤波器能实现切比雪夫、椭圆函数或准椭圆函数响应[4-8].

2002年,Görür[2]提出了一种基于微带慢波开环谐振器的双模带通滤波器.本研究是在该滤波器内部的 4对开环臂上增加开路枝节线作为容性负载,并通过调整开环臂的长度形成微扰激起互相耦合的两个简并模式.这种新型结构充分利用了滤波器的内部空间,实现了滤波器的小型化.测量和仿真结果比较吻合,显示了该设计的有效性.

1 双模带通滤波器设计

图1(a)为所提出的新型双模带通滤波器模型.该滤波器由内部带有 4对开环臂并增加容性负载的微带环形谐振器、半包围耦合臂和阶梯型输入输出馈线组成,并通过内部开环臂长度的改变形成微扰以实现对两个简并模的控制.与图1(b)所示的传统结构相比,新型结构在不额外占据外部空间的情况下,增加了 4对开路枝节作为容性负载.由于容性负载的慢波效应,新型谐振器与传统的相比获得了更低的谐振频率,从而实现了滤波器的小型化设计.图2为新旧两种结构的滤波器在占据相同尺寸前提下的回波损耗,新型结构和传统结构的谐振频率分别为 2.39和 2.95 GHz,相当于新型结构比传统结构的尺寸减小了 19%.

图1 两种不同结构滤波器的示意图Fig.1 Geometry of two types of f ilter s

与传统结构相比,新型结构还采用了不同的微扰方式,通过谐振器内部开环臂的长度变化ΔL=L1-L2形成微扰,激起互相耦合的两个简并模式.当ΔL=0时,没有微扰,只有单个模式被激起;当ΔL≠0时,无论从任何一个端口激励,两个简并模式都激起并互相耦合,导致了谐振频率的分离.这两个简并模式分别对应于谐振器中的 TM1z00和TM0z10模[3].模式的耦合度取决于ΔL的大小,ΔL又反过来控制着模式的分离.图3为新型结构双模谐振器两个模式随ΔL变化的分离情况,是在弱耦合情况下用全波电磁仿真软件 Sonnet的仿真结果.可以明显看出,当没有微扰即ΔL=0时,只有一个模式被激起;随着ΔL的增大,两个模式的谐振频率分别朝着相反的方向增大和减小.这一点不同于传统的由小贴片形成的微扰.在贴片微扰方式中,一个模式的谐振频率保持不变,而另一个模式的谐振频率随着微扰的增大而减小[2].此外,两个简并模式的耦合系数可由下式得到[9]:

式中,fp1和 fp2为两个模式的谐振频率.耦合系数 k作为微扰大小的度量,随着微扰的增加而增大.图3所用谐振器的具体尺寸如下:a=b=12.0 mm,s=0.6 mm,R=3.1 mm,m2=0.3 mm,m3=0.5 mm,L3=L4=4.8 mm.

图2 两种谐振器在占据相同尺寸的前提下的回波损耗Fig.2 Return loss for two resonator s when employ the sam e space

2 仿真和实验结果

通过上述模式分析的结果,设计并制作了一种新型的基于慢波开环谐振器的双模微带带通滤波器.在相对介电常数为 3.5,厚度为 0.5 mm的介质板上,设计滤波器的尺寸如下:a=b=12.0 mm,L1=5.45 mm,L2=4.05 mm,L3=L4=4.8 mm,R=3.6 mm,m1=0.2 mm,m2=0.3 mm,m3=0.5 mm,s=0.3 mm.加工的实物滤波器如图4所示.

图3 两个简并模式的谐振频率和耦合系数随微扰的变化情况Fig.3 Coup ling coeff icien t and resonance frequenc ies of two degenerate modes against the per turbation

图4 滤波器实物图Fig.4 Photograph of the fabr icated f ilter

用矢量网络分析仪 (Agilent8722ES)对该滤波器进行测量,图5为仿真和实测的 S参数曲线.可以看出,传输特性曲线的通带两侧各产生了一个传输零点,实现了准椭圆函数特性,中心频率大约为 2.4 GHz,测量的带内插损小于 2 dB,3 dB带宽为 4%,回波损耗大于 17 dB.滤波器的选择性ξ[10]为

式中,αmax和αmin分别为 3和 20 dB衰减点,fp和 fs分别为 3 dB截止频率和 20 dB阻带频率.因此,通带左右两边的ξ分别为 152和 378 dB/GHz,具有很高的频率选择性.测量和仿真结果基本吻合,造成微小误差的原因可能是制作工艺上的偏差和各种损耗,包括导体损耗、介质损耗和辐射损耗等.

3 结 束 语

本研究采用慢波开环谐振器设计了一种新型的小型化双模微带带通滤波器.由于增加了开路枝节线作为容性负载,使滤波器的谐振频率往低频方向偏移,从而实现了滤波器的小型化设计.通过长度变化的微扰方式实现对两个简并模的控制.频率响应曲线为准椭圆函数特性,具有较好的窄带带通特性和频率选择性.仿真和测量结果显示,该滤波器不仅保持了双模微带滤波器的优良特性,并具有小型化、高选择性等优势.

图5 滤波器的仿真和测量结果Fig.5 Simulated and measured results for f ilter

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(编辑:赵 宇 )

A Dual-M ode M icrostr ip Filter w ith Slow-Wave Open-L oop Resonator

ZHANGJuan, L IGuo-hui, WANG Zhi-bin
(Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

TN 822.4

A

1007-2861(2010)04-0367-04

10.3969/j.issn.1007-2861.2010.04.007

2009-03-04

上海市重大科技攻关资助项目 (07DZ15006);上海市重点学科建设资助项目 (S30108);上海市科委重点实验室资助项目(08DZ2231100)

李国辉 (1970～),男,副教授,博士,研究方向为微波光子学.E-mail:ghlee@sh163.net