双分路短路截线谐振器三通带滤波器设计

戴豪宇

(浙江理工大学 信息学院，浙江 杭州 310018)

0　引言

近年来，手机和无线通信技术的快速发展增加了对双模式或多模式通信系统的需求[1]。

作为多频带无线系统最重要的元件之一，三通带带通滤波器在近些年获得广泛关注。为了满足这一需求，人们已经进行了许多研究，并且已经开发了许多拓扑结构来实现具有三通带响应的高质量滤波器，在各种现代通信系统中发挥作用。

文献[2]组合了3个独立的滤波器来提供3个特定的通带，文献[3-4]则采用耦合矩阵优化的方法来实现三波段响应，然而这些滤波器的尺寸仍然不紧凑[2-4]。文献[5-6]分别采用缺陷地和短截线加载结构组成三通带滤波器，但是它们的结构都太过复杂。文献[7]则采用三通带阶梯阻抗谐振器来获得三通带响应，然而，由于通带内缺乏足够的传输零点，这些滤波器从通带到阻带的过渡不够尖锐。如何实现准椭圆形响应的三通带滤波器仍然需要进一步研究。

本文提出一种由两个分路短路截线[9]组成的三通带谐振器，并将其应用于三通带带通滤波器的设计。这个三通带谐振器的特点是它有多个传输零点，从而在通带附近提供尖锐的衰减和有较好的隔离度。基于这个新的谐振器可以获得具有准椭圆响应[10]的三通带滤波器[11]。为了验证设计理论，本文设计和测量了工作在2.64 GHz和5.6 GHz的双极点三通带BPF，测量结果证实了滤波器的仿真频率响应。

1　三通带滤波器设计与分析

本文设计的三通带谐振器[12]的拓扑结构如图1所示。每个谐振器由2个分路短路截线组成，2个短截线的特征阻抗、物理宽度和物理长度也在图1中描述。

图1　所提出谐振器的拓扑结构

其中谐振器的输入导纳：

(1)

式中，c为光在真空中光的速度，εe为衬底有效电解质常数。

通过解决以下等式获得谐振器三频谐振频率：

Yin(foi)=0。

(2)

显然，当一个短路截线呈感性，另一个截线呈容性时，谐振器谐振。因为截线呈感性和容性是周期性的，对于上述等式这里有很多个解。为了小型化，只有最低的三个非零谐振在这里将会用来组成三通带谐振器。

在谐振器的中心频率定义它的电纳斜率参数

(3)

然后在此频率可以从等式(1)导出如下：

(4)

当零点是由2个短路截线引起时，一旦2个短路截线中任何一个的电长度等于kπ(k= 1,2,...n)，则产生一个零点。同时使用式(5)和式(6)可以很容易地得到它：

(5)

(6)

包括零频在内的最低4个解是所需要的零点，分别可以表示为fz1、fz2、fz3和fz4。

至于以上描述，调整包括它们的宽度和长度的两个短路截线的尺寸将使谐振频率和零频率偏移到预期的位置。 预先确定包括它们的宽度和长度的两个短路截线的尺寸，可以在给定的衬底上容易地计算3个谐振频率和零点。图2给出了谐振器的输入导纳，其尺寸如下：W1=0.56 mm,l1=23.7 mm,W2=0.78 mm,l2=30.2 mm。在此图中可以清楚地观察到3个谐振和4个零点。

图2　典型情况下关于频率的输入导纳

通过使用适当的导纳变换器来连接所提出的三通带谐振器，可以获得具有三通带准椭圆响应的滤波器。对于三通带滤波器，每个通带的导纳变换器都不相同。据了解，还没有发表三通带导纳滤波器。为了做出妥协，将变换器使用在中频带，即第二频带，尽管这会使第一和第三通带无法灵活地调谐。所提出的滤波器等效电路如图3所示。

图3　提出的三通带滤波器的等效电路

图中的导纳变换器可以通过四分之一波长传输线实现。假设所使用的谐振器是相同的。相应地，传输线的特征阻抗和物理长度可以由下面的公式得出：

(7)

(8)

式中，FBW2为第二带宽的分数带宽，β2是在fo2下的电纳斜率参数，gi(i= 0,1,2,…,n)是原型低通滤波器的元件值。

2　测量结果和讨论

为了验证该方法，设计仿真和测量典型情况。在此设计中使用的衬底具有相对介电常数2.65，厚度1 mm和损耗角正切0.004。 滤波器的布局如图4所示，其尺寸为W1=0.8 mm,l1=29.3 mm,l2=22.3 mm,W2=0.56 mm,W12=0.52 mm,l12=12.55 mm,W01=W23=1.32 mm,l01=l23=12.6 mm,we=le=1 mm,re=0.6 mm。

滤波器的制造尺寸是38 mm×52 mm,约0.44λg×0.6λg，其中λg是在第一频带中心频率的导波波长。图5显示了制造的滤波器的照片。

图4　提出的滤波器布局

图5　制造的三通带微带带通滤波器的照片

滤波器仿真和实测结果如图6所示。测量结果与ADS Momentum仿真结果非常吻合。 测量3个通带的3 dB频率范围(分数带宽)中心在2.64、4和5.6 GHz，发现是1 840～2 940 MHz(42%)、4 090～3 890 MHz(5%)和5 270～6 060 MHz(14%)。这3个通带测量的最小插入损耗以相同的顺序分别为1.5、0.908和1.34 dB，并且由于4个零点位于0、3.45、4.72和7.24 GHz，每个通带旁边可以清楚地观察到准椭圆响应，这有助于产生尖锐的过渡带。相比较其他三通带滤波器的优势在于其设计构造简便，且在其中使用导纳变换器，可以使其小型化。

图6　仿真和测量三通带微带线BPF

3　结束语

提出了一种新型的三通带微带线带通滤波器。该滤波器由两个导纳变换器连接的三通带谐振器组成。 每个谐振器由两个短路短截线组合而成。新提出的谐振器具有多传输零点的优点，可以提高滤波器的性能。基于所提出的概念，设计制造和测量具有以2.6、4和5.6 GHz为中心的3个频带的二阶滤波器。仿真结果和实测结果的吻合很好地验证了所提出的结构和方法。

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