新型多阶跃枝节加载双频带通滤波器

黄春艳， 肖中银， 寇 鑫， 储君君， 李 好

(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)

新型多阶跃枝节加载双频带通滤波器

黄春艳， 肖中银， 寇 鑫， 储君君， 李 好

(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)

提出一种新型的、各中心频率可调的多阶跃枝节加载双频滤波器，该微带双频滤波器采用多阶跃阻抗结构，通过增加更多的自由度来调节中心频率．由于谐振器为对称结构，所以采用传统的奇-偶模分析方法．通过调整阶跃阻抗的阻抗比和电长度，可以很容易获得一个可独立调节各个中心频率的双频滤波器．该滤波器工作在2．44 GHz(WLAN)和3．50 GHz(WiMAX)这两个频段，3 dB相对带宽分别为6%和2．6%，测试结果和仿真结果基本吻合．

双频;带通滤波器;阶跃枝节加载;奇-偶模

Abstract:A novel dual-band filter using stub-loaded multiple stepped-impedance resonators is proposed．This filter can control each center frequency independently．In order to get more degrees of freedom，the microstrip filter uses a multiple stepped-impedance structure．Due to symmetry of the structure，the traditional even-odd mode analysis can be used．A dual-band filter can easily be obtained by adjusting the impedance ratio and electrical length．The dual-band filter with 3 dB relative bandwidths of 6%and 2．6%can be applied to 2．44 GHz(WLAN)and 3．50 GHz(WiMAX)，respectively．Simulation results agree well with measurements．

Key words:dual-band;bandpass filter(BPF);stepped stub-loaded;even-odd mode

为满足当前无线通信系统的需求，低成本、小型化、多频段、高衰减滤波器已成为射频电路的研究热点．微带双频滤波器因其结构紧凑、容易构建等特性而受到广泛关注，可用于全球移动通信系统(global system for mobile communications，GSM)、无线局域网(wireless local area network，WLAN)、城 域 网(worldwide interoperability for microwave access，WiMAX)、射频识别(radio frequency identification，RFID)等微波频段．目前，设计微带双频滤波器的方法主要有5种［1-9］:① 采用并联结构，将两个独立的带通滤波器以并联的方式连接起来从而得到双通带滤波器［1-2］;②在一个宽通带滤波器上串联一个带阻滤波器，两个通带被这个带阻滤波器分开从而实现双频特性［3］．然而这两种方法设计的滤波器尺寸大且成本较高;③ 采用双模结构，通过在微带贴片上引入微扰，使一对简并模式适当分离并相互耦合，但双模结构的滤波器所实现的带宽较小，最大也仅达 4%［4］;④ 采用阶跃阻抗 谐振 器(steppedimpedance resonator，SIR)，常利用该谐振器的谐波特性设计双频滤波器，但两个通带的中心频率并不独立［5］;⑤采用枝节加载谐振器，枝节加载谐振器已广泛用来设计双频滤波器，具有很好的频率可控性．文献［6-8］采用枝节加载谐振器设计双频滤波器，但其第二通带内回波损耗效果不是很好．

本工作基于传统的枝节加载谐振器［6］和开路环谐振器［9-10］，提出了一种多阶跃枝节加载谐振器．该谐振器采用特殊的枝节加载方式，通过在半波长开路环微带线中心处加入多阶跃枝节，以减小滤波器的尺寸;采用交叉耦合结构，增加传输零点以提高带外衰减特性，同时采用对称结构和阶跃结构，使其频率可调并工作在2．44和3．50 GHz这两个频段．

1 枝节加载开路环谐振器设计原理

图1和图2分别给出了传统的枝节加载谐振器［6］和开路环谐振器［9-10］的结构示意图，虽然这两种结构都可以用来设计双频滤波器，但所设计的滤波器尺寸较大且自由度少．图3为本工作提出的新型谐振单元，该谐振单元将传统的枝节加载谐振器和开路环谐振器结合起来，在不增大尺寸的情况下，通过增加足够多的自由度来调节各中心频率，这样的对称结构常采用奇-偶模分析法．如图4所示，各枝节的电长度分别为 θ1= βL1，θ2= βL2，θ3= βL3，θ4= βL4，相应的特性阻抗分别为 Z1，Z2，Z3，Z4．

图1 传统的枝节加载谐振器Fig．1 Traditional stub-loaded renosator

图2 开路环谐振器Fig．2 Split ring resonator

图3 本工作提出的新型阶跃枝节加载开路环谐振器Fig．3 Proposed split resonator with stepped stub-loaded

图4 新型谐振器的奇模和偶模等效电路Fig．4 Odd-and even-mode equivalent circuit of the novel resonator

当奇模激励时，由传输线理论，对称面T可视为电壁，相当于短路．此时的谐振器可以看作是1/4波长谐振器，相应的奇模等效电路如图4(a)所示．从开路端看去的输入导纳为

谐振时Yin1=0，即

则奇模谐振频率可表示为

式中，c表示光速，εeff表示介质基板的有效相对介电常数．从式(3)可以看出，奇模谐振频率仅仅由L1决定，与其他长度无关．

当偶模激励时，对称面T可视为磁壁，相当于开路．此时的谐振器可看作是半波长谐振器，相应的偶模等效电路如图4(b)所示，从图中标注看去的输入导纳为

谐振时输入导纳为0，其中 Y3/Y4=k3，Y2/Y3=k2，Y1/Y2=k1分别为阻抗比，θ1= βL1，θ2= βL2，θ3=βL3，θ4=βL4分别为电长度．从式(4)可以看出，偶模谐振频率不仅仅取决于 L1，还与 L2，L3，L4，k1，k2，k3有关．

用电磁仿真软件Sonnet进行仿真，图5展示了随L2变化的奇-偶模分布图．由图可知，随着L2的增大，奇模谐振频率保持不变，而偶模的谐振频率不断向低频方向偏移．

图5 阶跃枝节加载环谐振器的奇-偶模分布Fig．5 Odd-and even-modes distribution of stepped stub-loaded ring resonator

根据上述理论分析，图6为本工作提出的一种新型双频滤波器原理图．该滤波器由两个相同的阶跃阻抗枝节加载谐振器组成，且工作在2．44和3．50 GHz两个频段，相对带宽分别为 Δ1=6．3%，Δ2=3．6%，两个通带的插损都为0．01 dB．可以得到该滤波器的低通原型集总参数元件值g0=1，g1=1．378 2，g2=1．269 3，J1= －0．249 2，J2=0．977 2，其中J1，J2为导纳反相器，根据耦合理论可以计算出谐振器间的理论耦合系数［11］．对于第一通带(中心频率 f1=2．44 GHz)，M12=M34=0．048，M23=0．049，M14= －0．011 5;对于第二通带(中心频率f2=3．50 GHz)，M12=M34=0．027，M23=0．027 6，M14= －0．007，其中 Mij代表耦合系数，i，j代表谐振器编号．图7显示了用电磁仿真软件提取出的两个相邻谐振器的耦合系数与距离S间的关系图，通过调节耦合距离S来满足理论计算出的耦合系数．采用上述结构设计出的滤波器有4个传输零点，分别为 T1，T2，T3，T4，其中 T2和 T3由①和④之间的耦合即源和负载耦合产生;T1由②和③之间的耦合产生;T4主要由输入耦合端的长度在零点处为1/4波长时产生．图8显示了间距d1=0．2 mm(有源和负载耦合)和d1=14．2 mm(无源和负载耦合)的S21参数图．从图8中可以看出，当有源和负载耦合即d1=0．2 mm 时，存在 4 个传输零点 T1，T2，T3，T4;当无源和负载耦合即d1=14．2 mm时，仅存在2个传输零点 T1，T4．

图6 本工作提出的滤波器原理图Fig．6 Layout of proposed filter

图7 第一通带和第二通带的耦合系数M23Fig．7 Coupling coefficient of M23for the first passband and second passband simultaneously

图8 当d1=0．2和14．2 mm时传输零点的比较Fig．8 Comparsion of transmission zeros of d1=0．2 and 14．2 mm

2 仿真与测量结果分析

通过对该双频滤波器进行理论分析及电磁仿真优化，最后确定滤波器尺寸如表1所示．所选介质板的介电常数为 εr=2．65，厚度为 h=0．8 mm，该双频滤波器的加工实物图如图9所示，整体尺寸为0．5λg×0．28λg，其中 λg为介质基片上第一通带中心频率的波导波长．该滤波器的仿真和实测结果如图10所示，测量结果用矢量网络分析仪Agilent8722ES测得，测得的两个中心频率分别在2．45和3．50 GHz，相应的3 dB相对带宽分别为6%和2．6%．第一通带的回波损耗最大达到28 dB，插入损耗小于3 dB;第二通带的回波损耗最大达到24 dB．各个通带带外都有传输零点 T1，T2，T3，T4，分别在2．12，2．78，3．26，3．80 GHz 处，相应的衰减值分别为55．7，40．6，44．0，38．0 dB，这些传输零点增强了各个通带的带外抑制．20 dB阻带带宽为1．0～2．2 GHz以及3．8 ～6．0 GHz，仿真结果和测试结果基本吻合，实测的插入损耗值比仿真的插入损耗值稍大，中心频率有微小偏移，这些主要是由于介电常数不均匀、加工材料误差、SMA接头损耗等引起的．

表1 滤波器尺寸Table 1 Size of the filter mm

图9 滤波器实物图Fig．9 Photograph of fabricated filter

图10 双频带滤波器仿真与测试结果Fig．10 Simulated and measured results of designed dual-band filter

3 结束语

本工作设计了一种新型的、中心频率可调的多阶跃枝节加载双频滤波器．该滤波器可用于WLAN(2．45 GHz)和 WiMAX(3．50 GHz)两个频段，通过改变影响谐振器奇-偶模分布的各部分电长度来调节各通带的中心频率，采用交叉耦合结构以增加两个通带的带外传输零点．从仿真和测试结果可以看出，各个通带带外隔离度高，在第一通带低频范围以及第一通带和第二通带间的插入损耗都大于30 dB，测试结果与仿真结果基本吻合．该滤波器适用于低成本、小型化、带外高衰减的无线通信系统．

［1］ ZHANG X Y，CHEN J X，SHI J，et al．High-selectivity dual-band bandpass filter using asymmetric steppedimpedance resonators［J］．Electron Lett，2009，45(1):63-64．

［2］ CHEN C F，HUANG T Y，WU R B．Design of dual-and triple-passband filters using alternately cascadedmultiband resonators［J］．IEEE Trans Microw Theory Tech，2006，54(9):3550-3558．

［3］ CHEN C Y，HSU C Y，CHUANG H R．Design of miniature planar dual-band filter using dual-feeding structures and embedded resonators［J］．IEEE Microw Wireless Compon Lett，2006，16(12):669-671．

［4］ GORUR A．Description of coupling between degenerate modes of a dual-mode microstrip loop resonator using a novel perturbation arrangement and its dual-mode bandpass filter applications［J］．IEEE Trans Microwave Theory Tech，2004，52(2):671-677．

［5］ ZHANG Y P，SUN M．Dual-band microstrip bandpass filter using stepped-impedance resonators with new coupling schemes［J］．IEEE Trans Microw Theory Tech，2006，54(10):3779-3785．

［6］ MONDAL P， MANDAL M K． Design of dual-band bandpass filters using stub-loaded open-loop resonators［J］．IEEE Trans Microw Theory Tech，2008，56(1):150-155．

［7］ WANG J，GE L，WANG K，et al．Compact microstrip dual-mode dual-band bandpass filter with wide stopband ［J］．Electron Lett，2011，47(4):63-64．

［8］ ZHANG X Y，XIAN J，XUE Q．Dual-band bandpass filters using stub-loaded resonators［J］．IEEE Microw Wireless Compen Lett，2007，17(8):583-585．

［9］ HUANG G S，CHEN C H．Dual-band Balun bandpass filter with hybrid structure［J］．IEEE Microw Wireless Compen Lett，2011，21(7):356-358．

［10］ 江新华，李国辉．新型开环谐振器带通滤波器的设计［J］．上海大学学报:自然科学版，2008，14(3):236-243．

［11］ HONG J S，LANCASTER M J．Microstrip filters for RF/microwave application［M］．New York:John Wiley，2001:315-375．

Dual-Band Bandpass Filter Using Stub-Loaded Multiple Stepped-Impedance Resonators

HUANG Chun-yan， XIAO Zhong-yin， KOU Xin， CHU Jun-jun， LI Hao
(Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks，Shanghai University，Shanghai 200072，China)

TN 713

A

1007-2861(2012)05-0459-05

10．3969/j．issn．1007-2861．2012．05．004

2011-11-09

国家自然科学基金资助项目(61077068);上海市自然科学基金资助项目(10ZR1411900);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)

肖中银(1964～)，男，副教授，博士，研究方向为微波与毫米波电路等．E-mail:zhyxiao@staff．shu．edu．cn