采用折叠型阶跃阻抗谐振器的新颖双频带带通滤波器

马德臣， 肖中银， 相亮亮， 黄春艳， 寇 鑫， 吴效环

(上海大学通信与信息工程学院，上海200072)

随着无线通信技术的飞速发展，同时工作在2个或多个频带的通信系统已成为无线通信研究的一个重要方向.双频带滤波器是射频前端的一个重要器件，其性能优劣影响着整个通信系统，因此，小尺寸、低损耗、频率选择性高、低成本的滤波器将是现代无线通信系统研究的目标.双频带滤波器最简单的设计方法就是将2个不同频率的带通滤波器进行组合，但是这种滤波器的结构尺寸偏大，而且还需要额外的附加电路［1］.此外，还可以将一个宽带通滤波器和一个阻带滤波器进行串联，用于设计双频带滤波器，但同样会使滤波器的尺寸偏大，且增加了设计成本［2］.平行耦合线的方法也可用于设计双频带滤波器，方法虽然简单，但结构尺寸还是较大，其中文献［3］中滤波器的长度达到了70 mm.近年来，阶跃阻抗谐振器(stepped impedance resonator，SIR)因其结构简单和具有多频特性而被广泛应用于多频带滤波器的设计中［4-9］.在文献［4］中，虽然带外特性较好，但是带内插入损耗太大，2个通带的插入损耗达到了5 dB.在文献［5］中，虽然带内特性满足要求，但是两通带间需要增加额外的传输零点以提高带外抑制.在文献［6-9］中，虽然通带间性能及带外性能较好，但是2个中心频率存在不可调节的缺点.

为了实现2个中心频带可调、带内低插入损耗及通带间高的隔离度，本研究设计了一种新颖的小型双频带带通滤波器.采用2个半波长SIR外加2个枝节，通过合理调节长度比和阻抗比，获得了性能较好的2个中心频率，分别为2.4和5.2 GHz;并且在低频和高频间产生一个传输零点，提高了带外抑制，使插入损耗大于20 dB的隔离频段为2.6～4.6 GHz.滤波器的整个尺寸仅为24 mm×30 mm.最后，加工并实测滤波器的性能，频率响应的仿真和实验测量结果基本吻合.

1 折叠型SIR双频带带通滤波器的设计原理

传统的半波长SIR结构如图1(a)所示，它主要由两段特性阻抗值不同的传输线组成.改进后的SIR结构如图1(b)所示，通过折叠2个枝节，使谐振器的尺寸变小.同时，该折叠型SIR能产生偶模和奇模2种模式，如图1(c)所示.

当偶模激励时，根据传输线理论，输入阻抗为

谐振时，可得到

式中，R1e为阻抗比.由式(2)可知，偶模的谐振与电长度θ1e，θ2有关，也与阻抗比R1e有关.

当奇模激励时，根据传输线理论，输入阻抗为

谐振时，可得到

图1 阶跃阻抗谐振器和奇偶模结构Fig.1 SIRs and structures of odd-even modes

由式(4)可知，奇模的谐振与θ1o有关.

通过电磁软件Sonnet仿真，可以看出折叠型SIR的奇模和偶模分布.图2所示为L不同时的奇偶模分布图.可见，随着L的减小，奇模的谐振频率不变，而偶模的谐振频率增大.

图2 折叠型SIR的奇偶模分布Fig.2 Odd-even modes of folded SIR

图3为本研究设计的滤波器结构.该滤波器是由2个折叠型SIR构成，通过奇偶模分析，可以得到所要的中心频带2.4和5.2 GHz.因此，对于本研究设计的双频带滤波器，通过改变低阻抗线的长度L，可以很好地控制第二频带的位置，调节较为方便.图4所示为本研究设计的滤波器结构的优点.在不加枝节A和B的情况下，在第一通带的下边带会出现一些杂波，不能满足所要求的回波损耗;第二通带外的回波损耗虽然满足要求，但是带内只有15 dB.在加有枝节A和B的情况下，2个中心频率并没有明显的变化，而且带内回波损耗都达到了25 dB左右，改进了滤波器的性能.图5所示为本研究所设计的双频带带通滤波器的实物图.

图3 提出的滤波器结构Fig.3 Topology of proposed filter

图4 加和不加A，B两枝节的比较Fig.4 Comparison of with and without A，B stubs

2 仿真与测量结果

根据上述滤波器的理论分析，通过电磁仿真和优化，最后确定了滤波器的尺寸为W1=6.0 mm，W2= 0.6 mm，W3=6.7 mm，L1=12.8 mm，L2=6.0 mm， L3=0.6 mm，L4=1.2 mm，L5=1.2 mm，L6= 7.2 mm，L7=1.8 mm，G=1.6 mm，S=0.2 mm.所选介质板的介电常数为 εr=10.2，厚度为 h= 0.8 mm.整个滤波器的尺寸为24 mm×30 mm.测量结果是由矢量网路分析仪Agilent 8722ES测得，仿真和测量结果如图6所示.测量结果显示，2个中心频率在2.4和5.2 GHz，第一通带的回波损耗在20 dB以下，插入损耗小于0.2 dB，且3 dB相对带宽为6.3%;第二通带的回波损耗在20 dB以下，插入损耗小于0.5 dB，且3 dB相对带宽为3.4%.测量结果表明，滤波器有一个传输零点，这是由抽头线输入输出结构产生的，而且这个传输零点提高了带外抑制，使带外插损达到了60 dB.但是相对于仿真结果，此频率点发生了偏移，在两通带间，插损大于20 dB的隔离频段为2.6～4.6 GHz.比较仿真和测量结果，整个频带的回波损耗和插入损耗存在一点偏差，谐振点产生偏移，这主要是由于材料介电常数的不均匀性、实物测量存在的介质损耗、SMA接头损耗以及辐射损耗等引起的，但测量结果总体与仿真结果基本吻合.

图5 滤波器实物Fig.5 Photograph of fabricated filter

图6 仿真和测量结果对比Fig.6 Comparison of simulated and measured results

3 结束语

本研究以半波长折叠型SIR为基础，设计了一种应用于无线局域网的新颖的小型化双频带带通滤波器.通过改变阻抗比，能够调节该滤波器中心频率的位置，使中心频率在2.4和5.2 GHz时的3 dB相对带宽分别为6.3%和3.4%;并且在低频和高频间产生一个传输零点，提高了带外抑制，使插入损耗大于20 dB的隔离频段为2.6～4.6 GHz.电磁仿真和测量结果基本吻合.该滤波器结构简单、尺寸小、易加工，能适用于紧凑的通信系统.

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