基于双模环形谐振器的双频带滤波器设计

赵芳丽, 翁敏航, 陈德礼

( 莆田学院 信息工程学院， 福建 莆田 351100 )

随着无线局域网的发展，多业务无线移动通信系统引起了人们的广泛关注，尤其是在无线局域网的组合方面.带通滤波器作为射频前端的关键器件，近年来逐渐向多频带、小型化、高隔离度等方向发展[1].目前，多频带滤波器的结构设计主要有以下类型:级联带通和带止滤波器，采用步阶阻抗谐振器(SIRs)，两个或多个单谐振器的组合等[2].因这些类型的多频带滤波器的结构均由两个或两个以上谐振器组合而成，因此导致滤波器的结构复杂，体积大，而且不同的谐振器模态之间难以耦合.对此，Luo等通过在一个均匀特性阻抗的微带圆环上添加开路枝节作为微扰点,使圆环的2个奇偶模式分离，从而形成了双通带滤波器[3].这种方法可减小滤波器的尺寸，但因第2通带的谐振频率约是第1通带谐振频率的2倍，因而使得第2通带的谐振频率难以调节.Huang等提出了一种环形结构的阶梯阻抗谐振器[4]，该谐振器虽然可减小电路尺寸，并调节第2通带的谐振频率问题，但其结构较为复杂，不利于设计.基于上述研究，本文根据奇偶模分析法，利用压缩双模环形谐振器设计一种双模态矩形环形滤波器，并通过实验验证该滤波器的性能.

1 双频带滤波器理论

1.1 双模态矩形环形滤波器

图1 双模态矩形环形滤波器结构图

1972年， Wolff[5]首次提出了可产生双模态的环形结构，基于此，Hong等[6]利用方形环设计了一种全波长的双模态滤波器，并实现了滤波器的小型化.双模态环形滤波器须具备以下条件[7]： ①输入输出必须正交； ②在谐振器内顺有一微扰点，使电磁波在传输路径上形成不连续，从而激发共振频率； ③整体电路结构必须是对称的.

本文以Hong等设计的方形环形双模态滤波器为基础，设计一种双模态矩形环形滤波器，其结构如图1所示.

1.2 奇偶模分析法

根据图1所示结构，定义矩形环边长为L， 电长度为θ， 阻抗为Z.微扰点采用正方形贴片，边长为P， 电长度为θP， 特性阻抗为2ZP.本文采用奇偶模分析法分析双模态环形谐振器的谐振特性.

根据微带线理论[8]，奇模态时，对称面CD为“电壁”(相当于短路)，其等效电路如图2(a)所示.图2(a)中的输入端奇模输入导纳Yin，o的计算公式为：

(1)

偶模态时，对称面CD为“磁壁”(相当于开路)，其等效电路如图2(b)所示.图2(b)中的输入端偶模输入导纳Yin,e的计算公式为：

(2)

(a)奇模 (b)偶模 图2 奇偶模等效电路

2 双模态双频带滤波器的设计

2.1 设计流程

图3 压缩双频带带通滤波器的结构

根据上述分析，若调整环形谐振器的两个通带的位置，即可实现带通滤波器，同时可以减小滤波器的尺寸.在确保双模态滤波器的设计性能下，为了进一步缩小滤波器的尺寸，本文在图1所示的双模态矩形环形滤波器的基础上，将双模态矩形环从每个边的中间向环中心压缩，形成交叉型间隙(g)，如图3所示.

图4中的3条曲线是不同g(g=1、3、8 mm )的双频带滤波器的频率响应.由图4可以看出，在2.4 GHz附近，第1个通带几乎不随g发生变化，而第2个通带则随g的增大发生较大偏移.由此可以看出，通过调节g可以调整两个通带中心频率的位置，从而达到设计要求.

为得到2.4/5.2 GHz 2个通带，本文利用IE3D软件对压缩双频带滤波器的结构进行仿真分析，并以此确定压缩双模环形双频带带通滤波器的压缩间隙(g=3 mm ).g=3 mm时的双频带滤波器的频率响应如图5所示.由图5可以看出，2.4/5.2 GHz 2个通带的插入损耗分别为-2.5 dB和-0.8 dB，回波损耗均大于-15 dB.

图4 不同g的双频带滤波器的频率响应

图5 g=3 mm时的双频带滤波器的频率响应

2.2 滤波器的制作及检测

本文采用RF4基板制作压缩双模环形双频带滤波器，结构如图3所示.RF4基板的厚度为1.60 mm,相对介电常数为4.4， 损耗角正切为0.01.实际制作尺寸为：L1=6.713 mm，L2=7.0 mm，L3=1.3 mm，L4=2.8 mm，L5=6.274 mm，g1=3 mm，g2=0.5 mm，w1=1.23 mm，w2=w3=0.5 mm .各参数表示的意义如图3所示.

制作的双频带滤波器的实物图如图6所示.经测量，该滤波器的电路尺寸为18 mm ×18 mm .与传统的双频带环形带通滤波器的体积相比，本文设计的压缩环形双频带滤波器的体积减小了约19%.

使用HP8722ES网络分析仪对制作的双通带滤波器的频率响应进行测试，测试结果如图7所示.由图7可以看出：在2.5 GHz时，插入损耗S21=-3.0 dB，回波损耗S11=-10 dB； 在5.25 GHz时，插入损耗S21=-2.2 dB，回波损耗S11=-12 dB； 在第1个中心频率(2.4 GHz)的两侧(2.3 GHz和2.9 GHz)出现了传输零点，表明滤波器的选择性得到了提高.测量数据与仿真结果相比，测量数据中的插入损耗有所增大，反射系数有所减小.其主要原因为： 一是FR4基板自身损耗较大； 二是雕刻机的针头较粗，使得制作的误差较大.在上述设计制造中，若采用低损耗基板(如RT/Duroid或者Al2O3)和更细的雕刻机的针头，即可降低滤波器的插入损耗，频率漂移会得到很大改善[9-10].

图6 制作的双频带滤波器的实物图

图7 双频带滤波器频率响应的测量值

3 结论

测试表明，本文设计的基于双模环形谐振器的双频带带通滤波器，与传统的双频带环形带通滤波器相比具有结构简单、体积小、选择性好的优点，因此该滤波器在无线通信系统中具有良好的应用价值.在滤波器的设计制作过程中，由于本文使用的是FR4基板，因此在测试中插入损耗和回波损耗略有增大，若采用低损耗基板即可有效克服这一缺点.