基于开环谐振器和非对称耦合线的三通带带通滤波器设计

刘海文，蒋 浩，雷久淮，覃 凤，彭苏萍

(中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083;2.华东交通大学信息工程学院，江西南昌330013)

0 引言

近年来，随着无线通信系统的快速发展，滤波器的设计向小型化、高性能化、低成本和易集成等方向发展.将滤波器做成多频段结构，整个系统功耗将大大降低，结构也会更加紧凑，更利于集成.因此，对多频无线前端的关键部件——多频带滤波器的研究，就显得更加迫切和重要［1-2］.目前，设计三频带滤波器的方法主要有:通过级联多个谐振器的方法来实现三通带滤波器［3］，但该方法会占用较大电路尺寸.基于阶跃阻抗和缺陷地结构的三频带滤波器［4-5］，虽然有其独特的优点，但3个工作频带与对应电路结构尺寸不能独立可调，从而降低了滤波器设计的灵活性.

本文利用枝节加载开环多模谐振器和非对称耦合线来设计三通带滤波器.运用奇偶模理论对多模谐振器的特性进行了分析，证明通过调节相关电路结构尺寸参数，3个通带的中心频率位置能够独立可调.同时，通过调节非对称耦合线位置，还可以改变耦合线与谐振器之间的耦合度，从而实现对传输零点(TZ)位置的调控，进而提高通带的选择性和阻带特性［6-8］.

1 三通带滤波器的设计

1.1 谐振器的分析

本文设计的枝节加载开环多模谐振器如图1所示，它由3段长度分别为 2L1、2L2、2L3，宽度为 w 的平行微带线，和1段长度为H0=H1+H2+H3、宽度为2w的微带线构成.由于整个谐振器结构沿分界线T-T1对称分布，因此，可运用奇偶模理论对谐振器进行分析，其奇、偶模等效电路如图2所示.本文采用仿真工具为电磁仿真软件Sonnet 11，介质基片厚度为0.8mm，介电常数为3.5.

图1 谐振器示意图

图2 等效电路图

在奇模激励的情况下，对称面T-T1相当于理想电壁，可以将其视作短路端，奇模等效电路如图2(a)所示.此时，输入导纳(Yinoddi，i=1，2，3)可表示为 Yinodd1=-jYcotθ1，Yinodd2=-jYcotθ2，Yinodd3=-jYcotθ3，其中 θ1、θ2和 θ3分别为与物理长度 L1、L2和L3相对应的电长度.

由谐振条件Im(Yinoddi)=0可得

从(1)～(3)式可以看出，分别调节微带线长度L1、L2和L3可以有效地控制3个奇模的位置.在偶模激励的情况下，对称面T-T1相当于理想磁壁，可以将其视作开路端，偶模等效电路如图2(b)所示.此时，输入导纳(Yinevenj，j=1，2，3)可表示为 Yineven1=-jYtan(θ1+ θ11+ θ21+ θ31)，Yineven2=-jYtan(θ2+θ21+ θ31)，Yineven3=-jYtan(θ3+ θ31)，其中 θ11、θ21和θ31分别为与物理长度H1、H2和H3相对应的电长度.

同理，由谐振条件Im(Yinevenj)=0可得

从(4)～(6)式可以看出，分别调节微带线长度L1+H0、L2+H2+H3和L3+H3可以有效地控制3个偶模的位置.在弱耦合仿真下，谐振器在3个奇模和3个偶模频率处的电场分布图如图3所示.从图3可以看出，在奇模谐振频率点处，电场主要集中分布在开环处而与加载的开路枝节无关，但在偶模谐振频率点处，电场不但在开环自身结构有电场分布，而且在加载开路枝节上也有电场分布.根据上面的分析，此谐振器可以设计成三通带滤波器.滤波器的第1通带可由谐振器的第1个奇模fodd1和第1个偶模feven1构成.第2通带和第3通带分别可以由第2个奇模fodd2和第2个偶模feven2及第3个奇模fodd3和第3个偶模feven3构成.

图3 谐振器在谐振频率处的电场分布图

1.2 非对称耦合线的特性

本文设计三通带滤波器拓扑结构如图4所示.在滤波器的输入输出端，采用非对称耦合线结构，通过调节非对称耦合线可以有效控制传输零点的位置，从而提高通带的选择性和阻带特性.在其他参数不变的前提下，只改变馈线长度L4、馈线长度L5和耦合间隙S得到的频率响应图如图5所示.从图5(a)可以看出，由于调节L4改变了耦合线与谐振器之间的耦合度，所以TZ2随着L4的增加向低频方向移动.在图5(b)中，在保持L5+L6=48.4mm前提下，TZ1和TZ2随着L5的减小而向低频方向移动，而TZ5随着L5的减小向高频方向移动.在图5(c)中，随着耦合间隙S的增加，TZ4向低频方向移动.根据以上分析可以知道，在不改变谐振器参数的情况下，可通过调节非对称耦合线来有效控制传输零点位置，提高滤波器的滤波选择性.

图4 滤波器的拓扑结构图

图5 电路参数L4对谐振器奇偶模位置的影响

2 仿真与测试结果

通过电磁仿真工具进一步优化滤波器，其物理尺寸选定为:w=0.4mm，S=0.2mm，L1=44.2mm，L2=31mm，L3=27.3mm，L4=8.7mm，L5=20.2mm，L6=28.2mm，L7=4.2mm，Lf=6.1mm，H0=35.2mm.加工的实物图如图6所示，电路的实际尺寸为18.2mm×35.6mm(约0.10 λg×0.19 λg，λg为第1通带中心频率所对应的导波波长).电磁仿真与实测结果对比如图7所示，2者吻合较好.通带内的3对奇、偶模分别在 0.935～0.975 GHz，1.54～1.57 GHz和1.8～1.845 GHz，该滤波器在3个通带内的插入损耗分别是1.3，1.46和1.92 dB，5个传输零点分别位于0.815，1.02，1.49，1.63 和1.91 GHz.

图6 三通带滤波器实物图

图7 滤波器频率响应仿真和测试结果图

3 结论

本文基于多模开环多模谐振器和非对称耦合线设计了1款三通带滤波器，可应用于 GSM，GPS和DCS无线通信系统.运用奇偶模理论对谐振器进行了分析，通过调节非对称耦合线位置，实现对传输零点的有效调控，提高通带的选择性和阻带特性.此滤波器实现了小型化、低损耗、高选择性的高性能滤波特性，这种滤波器特别适用在多频带移动通信系统中，具有一定的商业价值.

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