基于工字型双模谐振器的双阶带通滤波器设计

雷 涛,张 铎,向天宇,周瑞山,朱晓维

(1.东南大学信息科学与工程学院,毫米波国家重点实验室,江苏南京 211189;2.中国振华集团云科电子有限公司,贵州贵阳 550018;3.贵州师范大学机械与电气工程学院,贵州贵阳 550025)

射频/微波滤波器是无线通信系统中射频前端的关键器件,如何提高其带外抑制度与选择性是目前的主要研究方向之一。以发夹型、交指型和半开环结构为代表的级联耦合与交叉耦合拓扑结构滤波器的综合理论与设计方法已经十分成熟,此类滤波器带外抑制与选择性较好,但是尺寸较大,可实现带宽有限,带内插损较大。多模谐振器技术在宽带、超宽带、多频带的小型化滤波器设计方面具有很多优良的特性,但是目前绝大多数文献关于平面多模滤波器的设计都是采用单谐振器结构,因此所设计的滤波器在带外抑制度和选择性方面的性能不高,限制了平面多模滤波器的应用范围。

通过提高多模谐振器的阶数可以有效提高多模滤波器的带外抑制与选择性[1-2]。Hong等[3]采用三角盘双模谐振器实现了双阶双模带通滤波器,其低阻带具有一个传输零点,高阻带无传输零点,选择性较差,尺寸也较大;Qiu等[4]基于相同的耦合拓扑,采用支节加载半波长谐振器,实现了具有优良选择性与带外抑制的滤波器;Cheng等[5]采用感性耦合四分之一波长阶梯阻抗谐振器(SIR)设计了一款四阶交叉耦合带通滤波器,上下阻带各有一个传输零点,实现了优良的带外抑制与选择性,并且利用四分之一波长阶梯阻抗谐振器的杂散位于三倍频的特性,有效增加了阻带宽度;Ge等[6]提出一种四分之一波长谐振器和双模谐振器混合构成的四阶盒式结构的高选择性带通滤波器,相比传统的四阶盒式结构,其结构紧凑、设计简单,低阻带具有一个传输零点,带外抑制大于40 dB。本文首次基于工字型双模谐振器,采用双阶拓扑结构,实现了具有三个传输零点的带通滤波器,滤波器结构紧凑,具有较好的选择性与带外抑制度。

1 工字型双模谐振器分析

工字型双模谐振器结构如图1所示,由半波长开路谐振器与中间加载的T型支节组成,Y1、Y2、Y3为对应微带线的特性导纳,L1、L2、L3为对应微带线的长度。由于谐振器结构对称,因此采用奇偶模方法对谐振器的谐振特性进行分析,奇偶模等效电路如图2所示,奇模输入导纳为:

图1 工字型双模谐振器结构Fig.1 Structure of I-shaped dual-mode resonator

图2 奇偶模等效电路Fig.2 Odd-even mode equivalent circuit

θ1=βL1,是该微带线的电长度。

偶模输入导纳为:

选择合适的微带线宽,使得Y1=1/2Y2=Y3时,(2)式简化为:

式中:θ2=βL2,θ3=βL3是对应的微带线的电长度。

根据谐振条件Yin=0,得到奇模与偶模谐振频率分别为:

式中:c为真空中的光速;εeff为基板的有效介电常数。

在弱耦合条件下,谐振器谐振特性随长度L3的变化如图3所示,当L3尺寸较小时,feven＞fodd,随着L3的增大,feven向低频段移动。当L3进一步增大时,feven＜fodd,传输零点始终位于偶模谐振频率一侧。因此,该传输零点是与偶模有关的传输零点。

图3 L3对双模谐振器谐振特性的影响Fig.3 Simulated characteristics of the resonator with variedL3

理论分析与仿真实验表明工字型双模谐振器与常见的T型双模谐振器、E型双模谐振器均属于开路支节加载的半波长双模谐振器[7-8],三种双模谐振器具有相同的谐振特性。奇模谐振频率与中间加载的T型支节的尺寸无关,偶模谐振频率随T型支节尺寸的增加而降低。工字型双模谐振器具有比T型双模谐振器以及E型双模谐振器更加紧凑的结构。

2 双阶双模滤波器设计

本文设计的双阶双模带通滤波器结构如图4所示,输入/输出(I/O)馈线、双模谐振器之间均采用边缘耦合的方式,滤波器结构对称。其对应的耦合拓扑结构如图5所示,滤波器具有两个独立的耦合路径,谐振模式1与谐振模式3分别对应于双模谐振器Ⅰ的偶模与奇模,谐振模式2与谐振模式4分别对应于双模谐振器Ⅱ的偶模与奇模。介质基板采用Rogers4350B,相对介电常数为3.48,厚度为0.508 mm,采用电磁仿真软件ADS对滤波器进行优化仿真,设置初始参数:L1=6 mm,W1=0.3 mm,L2=2 mm,W2=0.6 mm,L3=12 mm,W3=0.3 mm,L4=5.5 mm,W4=0.3 mm,S1=0.2 mm,S2=0.5 mm,S3=0.55 mm,在输入/输出与双模谐振器弱耦合条件下,支节长度L3对滤波器响应的影响如图6所示。支节的长度L3主要影响后两个谐振模式,既偶模谐振模式;不影响前两个谐振模式,既奇模谐振模式,进一步证明了滤波器的耦合拓扑结构如图5所示。

在滤波器设计过程中首先可以通过中心频率和带宽初步确定双模谐振器的尺寸L1、L2、L3,然后通过调节耦合间距S2、S3进一步优化滤波器的通带特性,仿真实验表明S2、S3的微小变化对滤波器的通带特性具有显著的影响。

图4 滤波器结构Fig.4 Structure of the bandpass filter

图5 滤波器耦合拓扑结构Fig.5 Coupling topology of the proposed bandpass filter

图6 L3对滤波器谐振模式的影响Fig.6 Resonating modes of the filter with variedL3

3 滤波器测试

优化得到滤波器最终的尺寸为L1=6.3 mm,W1=0.3 mm,L2=1.8 mm,W2=0.6 mm,L3=3.3 mm,W3=0.3 mm,L4=5.8 mm,W4=0.3 mm,S1=0.2 mm,S2=0.23 mm,S3=0.55 mm。 滤波器实物如图7所示,滤波器有效尺寸为13.7 mm×5.35 mm,等于0.56λg×0.22λg,滤波器仿真测试结果如图8所示,滤波器中心频率为7.34 GHz,带宽为1.54 GHz,相对带宽为20.9%,通带内最小插损为1.9 dB,回波损耗大于16 dB,三个带外传输零点分别位于3.17,8.36,9.61 GHz,上下阻带抑制度分别大于30 dB,46 dB,一次杂散的抑制度大于18 dB。本文提出的滤波器与参考文献 [3],[6],[9]的滤波器相比,结构更加紧凑,带外传输零点数量更多,下阻带抑制度更高,上边频选择性更好,如表1。

图7 滤波器实物图Fig.7 Photograph of the fabricated filter

图8 仿真测试结果Fig.8 Simulated and measured results for filter

表1 滤波器主要性能比较Tab.1 Comparison of the filter main performances

4 结论

本文采用边缘耦合的方式实现了基于工字型双模谐振器的双阶拓扑结构带通滤波器,通带内具有四个谐振模式,滤波器结构紧凑,带外存在三个传输零点。通过增加双模谐振器的阶数,滤波器的选择性与带外抑制度得到有效提高,能够广泛应用于现代无线通信系统中。该滤波器的通带特性对滤波器尺寸非常敏感,因此对电路加工精度要求较高。