基于金属化通孔耦合的带宽增强梳状滤波器

蔡 璟，秦 伟，陈建新

(南通大学 电子信息学院，江苏 南通 226019)

基于金属化通孔耦合的带宽增强梳状滤波器

蔡 璟，秦 伟，陈建新

(南通大学 电子信息学院，江苏 南通 226019)

提出一种具有带宽增强特性的新型梳状滤波器。该设计的新颖性在于提出了在梳状结构中加入孔耦合结构。在相同的耦合缝隙下，该结构实现的耦合系数大小相比传统梳状耦合成倍增大，从而达到拓宽带宽的效果。此外，研究发现孔耦合结构相比传统缝隙耦合结构具有较强的加工容忍度。为了验证所提出的结构，设计、制造并测试了一款具有带宽增强效果的梳状滤波器，测试结果与仿真吻合。测试结果表明，在相同尺寸的耦合缝隙的情况下，相对带宽由传统梳状滤波器的5%提高到了17%。

孔耦合；梳状滤波器；带宽增强

0 引 言

滤波器，尤其是带通滤波器(bandpass filter，BPF)，是无线通信系统中必不可少的选频元件。由于微带线(microstrip line， MSL)具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点，微带滤波器在滤波器设计制造领域中受到了非常广泛的关注[1]，同时，耦合微带线被普遍应用于微带滤波器的设计中。其中，耦合梳状线结构在上个世纪就被研发[2]，并且，直到最近的滤波器研究中，依然得到了许多学者的关注。这是由于梳状滤波器(combline filter)结构简单，易于实现高阶的设计。为了适应现代无线通信对于滤波器越来越高的要求，梳状线被应用于许多可调滤波器设计中，用于增强滤波器的选频范围。其中，大多数研究着眼于在耦合梳状线之间添加变容二极管，从而实现耦合系数的可调，达到调节、增大带宽的效果[3-5]。但是，对于高阶设计而言，由于需要保持平衡性，在每2个梳状线之间都需要加载2个变容二极管。由于变容二极管寄生效应的影响，这种方法往往会增大滤波器的插入损耗，从而影响滤波器的应用性能。

最近，一种名为金属化通孔耦合，简称孔耦合(via coupling)，作为一种新型的耦合结构被应用于滤波器设计中[6-7]。文献[6]在大尺寸微带线上进行了孔耦合性质的研究，并设计了一款基于孔耦合的带通滤波器。但是，该研究并没有继续深入，在原有的基础上扩大孔耦合的应用价值。文献[7]应用孔耦合作为交叉耦合，设计了一款具有高选择性的互补紧凑型微带谐振单元。但是，其并未对孔耦合进行详细的分析以及对比研究。

本文研究了孔耦合与缝隙耦合的区别，证明了孔耦合的优势所在。同时，本文应用孔耦合特性，结合梳状线结构，研制了一款具有带宽增强特性的梳状滤波器。这款滤波器将孔耦合应用于梳状滤波器中，能够突破加工精度的限制，显著增大其耦合系数，从而使梳状滤波器在不影响其插入损耗的情况下，达到拓宽带宽的效果，使其在宽带无线通信中具有较高的应用价值。

1 孔耦合技术

随着印刷电路板(printed circuit board, PCB)工艺的不断发展和进步，通孔的位置和直径在加工过程中都可以很精确地得到。并且，通过化学电镀技术以及银导电浆烘干技术可以既便捷又精确地实现通孔的金属化。金属化通孔通常被当作一个短路引线，应用于多层电路板中不同层面的连接，例如，传输线的接地或者布线的需要。另外，在共面集成波导(substrate integrated waveguide， SIW)电路中，金属化通孔被用作为金属墙壁，形成电壁，从而实现SIW腔体结构[8]。本文中使用金属化通孔作为一种耦合结构，可用于实现微带谐振器之间的耦合，并且将孔耦合与传统缝隙耦合进行对比，证明了孔耦合的优势。

谐振器耦合结构如图1所示。最简单的缝隙耦合是2个终端开路的谐振器之间的缝隙耦合。其中，R1/R2为谐振器模型；w为谐振器宽度；g为缝隙宽度。类似地，由图1b可见，孔耦合可以通过2个终端短路的谐振器共享同一个金属通孔来实现，其中，d为金属化通孔的直径。在耦合谐振理论中，耦合系数(coupling coefficient)是对谐振器间耦合量的唯一定量描述。

图1 谐振器耦合结构图解Fig.1 Diagram of the resonator coupling

根据耦合谐振理论[9]，2个相同谐振器之间的耦合系数可以被提取。

(1)

(1)式中：M为孔耦合与缝隙耦合的耦合系数；fp1和fp2分别为当2个谐振器耦合时仿真出的谐振频率。由(1)式可以得到，M与归一化宽度w/h和标准化宽度d/h的关系如图2所示，其中，h为介质基板厚度。

根据比较，可以得到以下结论。

1)加工容忍度大。当w/h固定时，孔耦合随着d/h的增加而适当地平滑减少。但是，缝隙耦合在强耦合区域急速下降(尤其是当g/h低于0.3时)，但是在弱耦合区域下降缓慢。这意味着在强耦合区域，孔耦合的加工容忍度远远大于缝隙耦合。这种情况与在弱耦合区域正好相反。

2)设计灵活度高。当d/h和g/h固定时，孔耦合随着w/h的增加而显著地线性增加。但是，当w/h改变时缝隙耦合变化非常小。所以，孔耦合能够利用微带线的宽度来控制。

2 带宽增强技术的实现

从耦合的性质上可以得到，终端耦合的孔耦合是磁耦合，而边缘耦合的缝隙耦合可能是电耦合也可能是磁耦合，这取决于谐振器的耦合方式。所以，若边缘耦合的缝隙耦合为磁耦合，就能够结合孔耦合来增强整体的耦合，从而达到带宽增强的效果。所以，为了能更好地说明，本文以边缘耦合λ/4谐振器为例，构建的耦合结构如图3中插图所示。该结构是由2个四分一波长(λ/4)谐振器构成，并且同时具有孔耦合和边缘耦合。其中，w′和l′为该谐振器宽度以及长度，并且固定，耦合系数的调整是根据耦合缝隙宽度g′和孔耦合直径d′的变化。λ/4谐振器之间的边缘耦合以磁耦合占主导。因此，在短路端加入同为磁耦合的孔耦合结构后，其耦合系数会被提高。图3给出了带宽增强谐振器的耦合系数与g′/h和d′/h之间的关系。虚线代表没有孔耦合的传统边缘耦合λ/4谐振器，带有符号的实线则代表了在不同通孔直径下，即具有孔耦合增强的耦合系数。由图3可知，带宽增强结构相对于传统结构拥有较大的耦合系数，能够有效地增大带宽。

图2 孔耦合和缝隙耦合的耦合系数M与归一化宽度w/h和标准化宽度d/h的关系Fig.2 Coupling coefficients M versus normalized widths w/h and normalized diameters d/h for via-coupling and gap-coupling

3 带宽增强梳状滤波器设计

基于上述带宽增强理论，本文旨在设计一款具有Chebyshev响应的带宽增强效果的梳状滤波器，其阶数为三阶，纹波为0.04 dB，中心频率为2.4 GHz，目标相对带宽(fractional bandwidth, FBW)为17%。基于上述条件，设计并加工了一款具有带宽增强性质的梳状线滤波器，其结构如图4a所示；为了通过比较证明其带宽增强的效果，同时设计并加工了一款传统边缘耦合梳状滤波器，如图4b所示。

图3 提取的带宽增强谐振器的耦合系数插图为该谐振器仿真结构)Fig.3 Extracted coupling coefficients of the bandwidth-enhanced edge-coupled quarter-wavelength resonators (The inset configuration is the simulated structure of the resonator)

图4 本文设计的滤波器以及传统滤波器梳状滤波器的结构图Fig.4 Layout of the proposed combline filter using via-couplings to enhance the edge-coupling, and the traditional combline filter

带宽增强滤波器的设计思路：对于梳状线滤波器，其设计方法在前人的研究基础上已经得到完善[2-5]，这里就不再赘述。本设计取微带线宽度W1=2 mm；微带线长度l1根据实际仿真调整为22.3 mm，使得中心频率f0=2.4 GHz；随着耦合缝隙g1的减小，耦合增大，对应的滤波器带宽变宽。理想情况下，g1应该越小越好，但是在实际加工当中，耦合缝隙太小会使得加工误差很大，所以，取缝隙宽度g1=0.3 mm。随后，在短路端加入孔耦合结构，调节通孔直径d1=0.4 mm，能够使其带宽达到预期目标。为了便于比较，本文依据相同的尺寸，研制了一款传统梳状滤波器。2种设计应用了不同的馈电方式：带宽增强滤波器使用了直接馈电的方式，而传统梳状滤波器使用了耦合馈电的方式。这是由于带宽增强结构的耦合系数较大，则需要较小的外部品质因数(external quality factor，Qe)，从而使通带性能保持较好的水平；相反，对于传统梳状滤波器，则需要较大的Qe。

本设计中使用的介质基板为Duroid 5 870，其厚度为0.79 mm，相对介电常数为2.33，损耗角为0.001 2。仿真使用了Ansoft HFSS电磁仿真软件，测试是基于Agilent E8363C网络分析仪。其仿真与测试结果如图5所示。仿真与测试结果吻合。由于加工误差以及SMA转接头损耗的影响，使得测试与仿真结果有一定的误差。传统梳状线滤波器具有5%的FBW，而带宽增强设计则具有17%的FBW。这就证明了使用相同的物理尺寸，带宽增强梳状滤波器能够实现更宽的带宽。也就是说，带宽增强梳状滤波器能够突破加工精度的限制，达到拓宽带宽的效果。

表1给出了本文滤波器设计与其他梳状滤波器的性能对比。可以看出，本文中滤波器的FBW具有

明显优势，避免了使用变容二极管造成插入损耗增大的缺陷，达到了突破加工精度的限制的设计目标，增大了梳状滤波器本身的带宽。此外，本文滤波器设计结构简单，设计方法遵循传统耦合谐振器理论，易于实现。

图5 滤波器仿真与测试结果(插图为加工实物图)Fig.5 Simulated and measured results of the third-order combline filter with enhanced couplings and the traditional third-order combline filter表1 本设计与其他梳状滤波器性能比较

文献FBW/%带宽增强方法插入损耗/dB尺寸(λg×λg)文献[3]2.2-8变容二极管5.2-6.20.2×0.28文献[4]3.1-9.4变容二极管4.8-6.1N/A文献[5]3-8变容二极管3.5-6.50.75×0.34文献[10]2.2-11.2变容二极管3.1-15.60.18×0.25本文17孔耦合0.80.43×0.43

4 结束语

本文对于孔耦合的特性进行了研究，并应用孔耦合结构，结合梳状线结构，设计并制造了一款具有带宽增强能力的梳状滤波器，突破了加工精度对物理尺寸的限制，能够有效的拓宽带宽，仿真和测试数据得到了很好地吻合。本文提出的结构为梳状滤波器的设计提供了新的思路，可应用于未来宽带无线通信系统中。

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s：The Graduate Research and Innovation Plan Project of the Universities of Jiangsu Province (KYLX16_0971); The National Natural Science Foundation of China (61501263)

Bandwidth-enhancedcomblinefilterbasedonmetallicviacoupling

CAI Jing, QIN Wei, CHEN Jianxin

School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong 226019, P.R. China)

In this paper, a novel bandwidth-enhanced combline filter based on via coupling mechanism is proposed. The novelty of this design lies in the incorporation of via coupling into combline structure. With the same dimensions of the coupling gaps, the coupling coefficientce of the proposed structure can be greatly enhanced as compared with the traditional combline structure so that the bandwidth of the proposed structure can be widened. Meanwhile, investigation shows that via coupling mechanism reveals better fabrication tolerance than the traditional gap coupling mechanism. For demonstration, a bandwidth-enhanced combline filter and a traditional one are both designed, fabricated and measured. The simulated and measured results are presented, showing good consistency. The fractional bandwidth of the proposed combline filter is 17%, while that of the traditional one is only 5%.

via coupling; combline filter; bandwidth enhancement

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.06.009

2016-10-18

2017-03-09

秦 伟 waiky.w.qin@hotmail.com

江苏省普通高校学术学位研究生创新计划项目(KYLX16_0971)；国家自然科学基金 (61501263)

TN913.5

A

1673-825X(2017)06-0763-05

蔡 璟(1992 -)，男，江苏人，硕士研究生，主要研究方向为电磁场与微波技术。E-mail:caijing2005@163.com。

秦 伟(1984 -)，男，江苏人，博士，副教授，主要研究方向为电磁场与微波技术。E-mail:waiky.w.qin@hotmail.com。

陈建新(1979 -)，男，江苏人，博士，教授，主要研究方向为电磁场与微波技术。E-mail:jjxchen@hotmail.com。

(编辑：刘 勇)