一种新型双通带滤波器的设计

翟丽红，罗继阳

（1.太原工业学院电子工程系，山西太原030008；2.北方自动控制技术研究所，山西太原030006）

在无线及射频微波通信领域，双通带带通滤波器起着重要的作用，种类繁多，结构各异。到目前为止，众多学者使用不同的设计方法研究双通带滤波器，这些设计方法大致分为三类:第一类方法是关联两个不同类型的谐振器组成双通带带通滤波器[1-3]，其特点是设计简单，却难以控制滤波器的物理尺寸；第二类方法使用阶梯阻抗谐振器（SIRS）来设计双通带滤波器[4-6]，但是SIRS的谐振频率是相关的；第三类方法采用一个单一的双模式谐振器来实现双频特性。目前，双模式微带谐振器已经被广泛使用，其中包括缺陷微带结构（DMS）[7]、希尔伯特分形结构[8-9]、螺环结构[10-11]、E型结构[12]、正方形环[13]等等，这类谐振器通常具有导体损耗偏高和功率处理能力偏低的缺点。除此之外，在滤波器设计中存在一类补丁谐振器，例如圆形或方形贴片等。尽管许多三角环谐振器被使用[14-16]，仍然只有少数的三角形贴片谐振器[17]，这些贴片谐振器具有较低的插入损耗和较高功率的处理能力。

1 双通带滤波器模型设计

为了克服双通带带通滤波器占用较大物理空间的缺陷，本文设计了一种新型的微带双通带滤波器，包括设置于介质基板上的接地键盘式谐振器、开路匹配枝节、微带馈电线等。双通带滤波器，是利用金属通孔接地的等边三角形贴片谐振器，具有电容性的输入输出耦合。该滤波器有两个传输频带，且插入损耗低，此外，两频带间隔离性较好。

与现有技术相比，设计具有以下效果:引入金属过孔，实现介质基板上下两层贴片的互连，可以在等边三角形微带贴片单模谐振器的基础上激励出另外一种谐振模式，从而完成双模谐振器的构建；采用金属缺陷地的结构，可以降低谐振频率，同时可以拓宽谐振带宽；引入开路匹配枝节的结构，可以实现馈电端和谐振器单元的匹配，同时可以进一步扩展谐振带宽，提高滤波器频带选择性能。

1.1 滤波器结构

本设计使用金属孔接地的等边三角形贴片谐振器的几何结构的微带带通滤波器，整体呈板状结构，如图1和图2所示，包括设置于介质基板1上的接地键盘式谐振器、开路匹配枝节4、微带馈电线5，接地键盘式谐振器与微带馈电线5连接，开路匹配枝节4设置在接地键盘式谐振器上；接地键盘式谐振器包括微带贴片2、金属化缺陷地6和金属过孔3，微带贴片2设置在介质基板1的上表面，金属化缺陷地6设置在介质基板1的下表面，微带贴片2与金属化缺陷地6通过金属过孔3连通。

图1 新型微带带通滤波器上表面结构示意图

图2 新型微带带通滤波器下表面结构示意图

1.2 滤波器等效电路

没有金属孔接地的普通等边三角形贴片谐振器可以模拟为一个谐振电路，电容和电感并联。在本文的设计中，金属通孔位于等边三角形贴片谐振器的对称轴上，相当于一个共振电路，通过引入金属过孔，实现介质基板上下两层贴片的互连，可以在等边三角形微带贴片单模谐振器的基础上激励出另外一种谐振模式，等效为LC谐振电路，产生第二谐振点，从而完成双模谐振器的构建，如图3所示。

图3 新型微带带通滤波器的等效电路图

优选地，微带贴片2呈等边三角形设置，微带馈电线5为50Ω微带馈电线。采用金属缺陷地6的结构，可以降低谐振频率，同时可以拓宽谐振带宽。

引入开路匹配枝节4的结构，可以实现馈电端和谐振器单元的匹配，同时可以进一步扩展谐振带宽，提高滤波器频带选择性能。

2 滤波器设计

按照图4所示的结构，双通带滤波器设计参数如表1所示。设计滤波器实物如图5所示。

表1 滤波器设计参数

图4 双通带滤波器的示意图

图5 设计的滤波器实物

3 仿真测试与分析

如图6所示，对有金属通孔和无金属通孔的等边三角形谐振器的仿真参数S（散射参数）进行了对比。由此可以看出，没有金属通孔接地的等边三角形谐振器只有一个谐峰值，位于6 GHZ频率处。然而，随着引入金属通孔接地结构，谐振器具有两个谐峰值，分别位于6.2 GHZ和2.6 GHZ频率处。与上述仿真结果一致，本文提出的金属通孔接地结构产生了等边三角形微带贴片谐振器的第二个谐振峰。此外，本文所提出的谐振器与普通谐振器相比，在低频处有较好的阻带抑制特性。

图6 新型微带带通滤波器有无金属过孔的仿真效果图

新型贴片谐振器可以采用奇/偶模式进行分析，金属通孔的位置对于奇模式下的谐振频率（基本共振频率）不产生影响，而在偶模式下谐振频率能够被调谐。当R从-5.6125～0.56125 mm之间以步长为1.68375 mm变化时，谐振频率从2.4 GHZ变化到3 GHZ。随着R的不断增大，谐振频率逐渐降低到2.6 GHZ。除此之外，随着R的变化，谐振频率在6.1 GHZ处达到稳定。适当调整参数R，双频带滤波器的谐振频率就可以实现。本文设计的电路是在1 mm厚的电介质常数为2.55的Rogers高频基板上实现的，通过基于有限元法（FEM）的Ansoft公司的HFSS进行仿真和优化。如图1所示，等边三角形贴片谐振器的上表面放置在基片的中心，一对对称的微带线放置在该谐振器的两侧，沿着等边三角形微带贴片的对称轴，金属通孔连接着基片的上下表面。

图7 DGS对滤波器传输特性的影响

在图7中，引入DGS技术，不改变整体尺寸，滤波器的传输特性S21发生了改变。与没有引入DGS相比较，发送频带向较低的频率处移动，且右传输频带变宽。

使用DGS时，开路支节线技术使得输入与输出相匹配，并且抑制谐波。图8给出了双通带滤波器有无支节线的仿真结果比较。可见，本文提出的滤波器采用了DGS和开路支节线技术，呈现出陡峭的截止响应，有更宽的通频带，更低的插入损耗，在阻带上具有更强的衰减。

图8 有无支节线时的滤波器传输特性的比较

4 测量结果与分析

滤波器采用Anritsu Vector Network Analyzer MS4624D进行测量。仿真测量结果如图9所示，具有良好的吻合度。在每个通带的两侧都会产生四个传输零点来提高选择性。最大的sharp skirt可以达到109 db/GHZ，并且在阻带衰减接近60 dB。第一个通带的传输损耗为0.13 dB，第二个通带的传输损耗为1.6 dB，本文设计滤波器的两个中心频率为2.4/5.8 GHz，3 dB带宽分别为230/920 MHz。本文滤波器与2.4/5.8 GHz无线局域网的规格相符。

图9 仿真结果与测量结果的比较

5 结语

文章提出了一种新型的双通带带通滤波器，采用金属通孔接地等边三角形结构，引入了DGS和开路支节线技术，提高了频率选择性。实验结果表明，本文提出的滤波器有陡峭的截止响应，较低的插入损耗和较强的阻带衰减。实际测量结果与仿真结果一致。