新型双模方环微带带通滤波器

孙守家,吴 边,梁昌洪

(西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室,陕西西安 710071)

新型双模方环微带带通滤波器

孙守家,吴 边,梁昌洪

(西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室,陕西西安 710071)

为了减小谐振器的尺寸,提出了一种新型的双模方环谐振器.首先根据谐振结构的对称性,利用奇偶模方法分析了该结构的谐振特性.然后加载了一对开路枝节,通过增加它的长度降低谐振频率,实现谐振器尺寸的小型化.接着,为了改善滤波器的选择特性,利用源和负载耦合引入了新的传输零点.最后,设计并加工了一款工作于中心频率为1.95 GHz,3 dB分数带宽为37.7%的微带双模带通滤波器.测试与仿真结果吻合良好.

双模谐振器;带通滤波器;源和负载耦合

由于微带器件的小型化、低成本和易加工,微带滤波器已经广泛应用于现代无线通信系统中.近年来,双模谐振器得到了越来越多的关注.双模概念是源于具有几何对称性的谐振结构,在这种结构中同时存在两种简并模式,如果在这两种模式的正交面上引入微扰,就可以使它们分离,以形成通带响应.单个微带双模谐振器的使用相当于两个谐振腔的级联.因此,在设计滤波器时,使用双模谐振器可以使谐振器的数量减少一半,很大程度上实现了滤波器的小型化.到目前为止,在双模谐振器的研究上已有大量的成果和文献.

根据出版的文献,设计双模谐振器主要有3种经典的方法:(1)在环形谐振器上加载贴片或者切口实现两种简并模式的耦合,比如圆环双模谐振器[1]和方环双模谐振器[2].(2)利用具有几何对称性的贴片,并且在贴片的对称面上刻槽或者加载切角,实现两种简并模式的耦合[3].(3)在开口环谐振器的中间加载开路枝节或者短路枝节,枝节具有微扰作用,改变它的长度可以控制两种简并模式的耦合强度[4-5].这3种方法依然是现代双模谐振器设计中常常用到的.文献[2]中的双模方环谐振器的周长是全波长的,为了能够减小谐振器的尺寸,笔者设计了一种新型的双模方环谐振器,使该环的任一角位置接地,并且在该角的对角位置加载短路枝节,短路枝节具有微扰作用,改变它的长度可以控制谐振器中两种简并模式的耦合强度.同时,在另外两个角位置加载一对相同的开路枝节,增加它们的长度可以降低谐振频率,实现谐振器尺寸的小型化.利用该新型双模谐振器设计滤波器时,通过源和负载耦合引入了新的传输零点,改善了通带选择特性.

1 新型方环双模谐振器及其谐振特性分析

笔者提出的新型方环双模谐振器的拓扑结构如图1(a)所示.方环的边长为L,特性导纳为Y,顶点P1接地,顶点P3处加载长度为L1、特性导纳为Y1的短路枝节.谐振器结构关于图中所示曲线对称,利用奇偶模方法对其谐振特性进行分析.

图1 方环双模谐振器结构及其等效电路

1.1 奇模等效分析

馈电1和馈电2分别输入等幅反向的信号,对称线处的电压为零,等效为理想电壁(虚拟短路),此时加载的短路枝节是不存在的,奇模等效电路如图1(b)所示.从馈电点看进去的奇模输入导纳为

根据谐振条件Im(Yin,o)=0,可以得到

其中,c代表自由空间的光速,εe代表微带介质基板的有效介电常数.k=1时,谐振器的尺寸最小.从图1(a)和(b)中可以看出,当馈电位置不同于P1和P3时,奇模谐振频率和馈电位置无关,只和方环谐振器的边长有关,并且谐振器的周长在奇模谐振频率下是全波长的.

1.2 偶模等效分析

馈电1和馈电2分别输入等幅同向的信号,对称线处的电流为零,等效为理想磁壁(虚拟开路),此时加载的短路枝节沿着对称线被等分,偶模等效电路如图1(c)所示.从馈电点看进去的偶模输入导纳为

根据谐振条件Im(Yin,e)=0,解方程可以得到

由式(5)可以看出,当方环谐振器的边长L和特性导纳Y确定之后,偶模谐振只和短路枝节的参数有关.在短路枝节的特性导纳给定之后,通过改变短路枝节的长度,可以决定两种简并模式的分离程度,进而可以控制通带响应的带宽.然而枝节的长度并不是任意的,当L1＞代表偶模谐振波长)时,通过式(5)可以推出偶模谐振的一次谐波频率小于奇模谐振频率,这时谐振器的双模特性遭到破坏.因此,给定约束条件为

图2 不同短路枝节长度下的传输响应的变化

把式(6)代入到式(5),可推出偶模谐振频率的变化范围为

图2给出了在弱耦合下仿真得到的奇偶模谐振频率随短路枝节长度L1变化的曲线,其参数为εe=2.65,L=21 mm,Y=Y1.文中所有的仿真都是在电磁仿真商业软件IE3D中完成的.由图2可以清晰地看到,当枝节长度由1.3 mm增加到5.5 mm时,偶模谐振频率由2.49 GHz降低到2.15 GHz,而奇模谐振频率维持在2.64 GHz不变.这个例子和前面的理论分析是一致的,并且不会失去问题的一般性.

2 开路枝节加载以及双模带通滤波器的设计

由前面的分析可得,此谐振器的周长在奇模谐振频率下是全波长的,这和文献[2]中的谐振器相比,尺寸是相同的.为了能够减小谐振器的尺寸,降低谐振频率,在方环的另外两个顶点位置P2和P4处加载了一对相同的开路枝节,长度为L2,特性导纳为Y2.

图3 双模带通滤波器的结构图

利用改进后的谐振器设计的带通滤波器如图3所示,包含了1个加载开路枝节的双模方环谐振器,1对端口阻抗为50Ω的输入输出馈线,接地用直径为1 mm的金属过孔实现.为了介绍引入开路枝节的作用,图4给出了开路枝节在不同长度下通带频率的变化,随着开路枝节长度的增加,通带中心频率降低了.图4中,枝节长度由0增加到10.3 mm,通带的中心频率由2.36 GHz下降到1.94 GHz,使谐振器尺寸减小了18.8%,实现了滤波器的小型化.然而,从图4中发现,滤波器的通带选择性和带外性能并不好,为了解决这个问题,引入了源和负载耦合,并且通过在馈线末端加载耦合线的方法增强源和负载耦合的强度.图5给出了滤波器在不同源和负载耦合强度下的频率响应变化以及传输响应的局部放大图.从图5中可以看出,当馈线末端距离很小时,源和负载耦合产生,不仅引入了一个新的传输零点,改善了通带选择性,而且大大提高了带内平坦度.当耦合线长度增加时,增强了源和负载耦合强度,零点更加接近通带,大大改善了滤波器的选择性.

图4 不同的开路枝节长度下的传输响应

图5 不同源和负载耦合强度下的频率响应

为了验证上面的分析,设计了一款工作于中心频率为1.94 GHz,带宽为530 MHz,回波损耗为18 dB的带通滤波器.用IE3D对滤波器进行仿真优化,得到的最终尺寸为:L′=13.0 mm,L″=6.8 mm,L1=7.6 mm,L2=10.3 mm,L3=27.5 mm,L4=7.8 mm,W1=1.0 mm,W2=0.2 mm,g1=0.1 mm,g2=0.2 mm,d=0.4 mm.谐振器尺寸为0.21λg×0.21λg,λg为波导波长,比文献[2]中的谐振器尺寸减小了39.5%.加工后的滤波器实物如图6(a)所示,采用Agilent 8719ES矢量网络分析仪进行测量.图6(b)给出了仿真结果和测量结果,两者吻合良好.测量结果中,中心频率为1.95 GHz,3 dB分数带宽为37.7%,包括同轴射频接头损耗在内的最小插入损耗为0.52 dB,带内的反射损耗大于20 dB,两个传输零点位于0.87 GHz和3.24 GHz.由于馈线自身的谐波抑制特性[6],高于20 dB抑制的频带截止到4.9 GHz,约为中心频率的2.5倍.

图6 滤波器加工实物图以及仿真结果和测试结果对比

3 结束语

提出了一种新型的双模方环谐振器,对该结构的谐振特性进行了分析.短路枝节起到微扰作用,用来控制两个模式频率的耦合强度;开路枝节的加载能够降低谐振频率,实现谐振器的小型化.利用该谐振器设计了一款带通滤波器,引入了源和负载耦合,产生了新的传输零点,大大改善了滤波器的通道选择特性.仿真和实验结果说明了该款滤波器的优良性能,可以广泛应用于各种射频电路中.

[1]Luo S,Zhu L,Sun S.Compact Dual-mode Triple-band Bandpass Filters Using Three Pairs of Degenerate Modes in a Ring Resonator[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology,2011,59(5):1222-1229.

[2]Hong J S,Lancaster M J.Bandpass Characteristics of New Dual-mode Microstrip Square Loop Resonators[J]. Electronics Letters,1995,31(11):891-892.

[3]Sung Y.Dual-mode Dual-band Filter with Band Notch Structures[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2010,20(2):73-75.

[4]Athukorala L,Budimir D.Design of Compact Dual-mode Microstrip Filters[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2010,58(11):2888-2895.

[5]Hong J S,Shaman H,Chun Y H.Dual-mode Microstrip Open-loop Resonator and Filters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology,2007,55(8):1764-1770.

[6]Kuo J T,Chen S P,Jiang M.Parallel-coupled Microstrip Filters with Over-coupled End Stages for Suppression of Spurious Responses[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2003,13(10):440-442.

(编辑:齐淑娟)

Novel dual-mode square loop microstrip bandpass filter

SUN Shoujia,WU Bian,LIANG Changhong
(Science and Technology on Antenna and Microwave Lab.,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

This paper presents a novel dual-mode square loop resonator with a compact size.Firstly,the odd-even-mode method is utilized to analyze the resonant property of the proposed resonator since its structure is symmetrical,and the passband center frequency can be easily tuned by changing the lengths of a pair of loaded open-ended stubs.Secondly,source-load coupling is introduced to produce a new transmission zero and improve the passband selectivity.Finally,a microstrip dual-mode bandpass filter(BPF)centering at 1.95 GHz with a 3 dB fractional bandwidth(FBW)of 37.7%is designed and fabricated.The measured and simulated results in good agreement are presented.

dual-mode resonator;bandpass filter;source-load coupling

TN713+.5

A

1001-2400(2014)01-0053-04

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.01.010

2012-10-20 < class="emphasis_bold">网络出版时间:

时间:2013-09-16

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA01A308);国家自然科学基金资助项目(60901031,61271017)

孙守家(1987-),男,西安电子科技大学博士研究生,E-mail:sunshoujia@gamil.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20130916.0926.201401.68_006.html