一种高选择性新型三频滤波器设计

留黎钦, 洪美丽, 翁敏航

(莆田学院 机电与信息工程学院,福建 莆田 351100)

几十年来,无线通信技术已经发展并成为我们生活中不可或缺的一门技术,人们对多带通滤波器的设计也越来越感兴趣．作为在射频前端的关键部件,紧凑的尺寸和高性能的多带通滤波器(bandpass filters, BPFs)越来越能满足不断增长的需求趋势[1—7]．多带通滤波器可以有效地利用频率资源和设备成本,兼容多个通信系统使用,滤除干扰信号．

目前,常用于设计三频滤波器的谐振器结构有步阶阻抗谐振器(SIR)、枝节加载谐振器(SLR)等．Chen等[8]提出一对具有平行耦合排列的对称步阶阻抗谐振器来构建三频滤波器．Chen等[9]和Hsu等[10]提出了一对使用平行耦合布置的三段SIR构建三频带通滤波器.三段式SIR的缺点是设计的复杂性,尤其是在共振频率分析方面．Lai等[11]使用了枝节加载谐振器(SIR)和缺陷地结构谐振器(DGS)共同设计了三频滤波器,其设计结构复杂,缺陷地结构也破坏了元件的完整性．设计具有高选择性、结构简单且微小化的三频滤波器仍然是一个很重要的研究课题．

本文设计了一款新型多模谐振器．该谐振器结构简单,由一个均匀的二分之一波长的传输线上对称加载两个枝节组成,通过加载的两个枝节来调节谐振器的模态,利用奇偶模分析方法,实现了高选择性和微小化的三频滤波器．

1 设计步骤

1.1 基本结构

设计中的滤波器由两个谐振器通过电耦合结构形成．该谐振器由一个均匀的二分之一波长的传输线加载两个具有不同阻抗的枝节组成(stub loading uniform impedance resonator, SLUIR),其中一个枝节为开路枝节,另一个为短路枝节．采用RT/Duroid 5880基板设计并制作带通滤波器, 其介电常数(εr) 为2.2,损耗角正切(tan θ)为0.000 9,厚度(h)为0.787 mm．该滤波器的结构图见图1．

图1 三频带通滤波器结构图

1.2 谐振器的奇偶模分析

图2为设计的多模谐振器SLUIR结构图,UIR传输线的阻抗和电长度分别记为Z1和θ1,短路枝节的阻抗和电长度分别记为Zs1和θs1，开路枝节的阻抗和电长度分别记为Zs2和θs2．

图2 本研究所使用的SLUIR谐振器结构图

所设计的谐振器具有对称性,因而需要进一步对奇模和偶模进行深入分析．在奇模谐振中,SLUIR的对称平面是电壁;在偶模谐振中,SLUIR的对称平面是磁壁．图3为奇模和偶模的结构图．基于传输理论,与SLUIR的奇模谐振和偶模谐振相对应的谐振公式可以分别表示为

图3 奇模和偶模结构图

zinodd=jZ1tgθ1,

(1a)

(1b)

本文所设计的谐振器具有3个电长度θ1，θs1和θs2,可定义其电子长度比,以此增加设计自由性．其定义如下:θt=θ1,α1=θs1/θt,α2=θs2/θt．将k定义为阻抗比,则内枝节阻抗比为k1=Zs1/Z1、外枝节阻抗比为k2=Zs2/Z1．将定义的各参数代入(1a)式和(1b)式,可以得到关于k,θt,α1,α2变量的函数．SLUIR的奇模和偶模对应的谐振条件为Yinodd=0,Yineven=0,即

-j(ctgθt)/Z1=0，

(2a)

(2b)

在图1的三频带通滤波器结构基础上,调整高阻抗部分的电子长度和低阻抗部分的电子长度,可以确定三频滤波器的中心频率．图4为以参数L1=22.75 mm,Ls1=6.8 mm,Ls2=6.675 mm,W1=1.8 mm,Ws1=0.65 mm,Ws2=0.8 mm,g=0.2 mm,t=6 mm,k1=1.71,k2=1.55仿真得到的中心频率分别为2.51,4.90,7.50 GHz的三频带通滤波器．

图4 三频带通滤波器的仿真效果图

1.3 三频滤波器设计

在三频滤波器设计过程中,滤波器的3个通带的带宽由耦合系数(Ki,j) 和外部质量因子(Qe)来决定．在两个级连的谐振器中,耦合系数受到谐振器之间的间距g影响;输入输出采用0度馈电方式,其抽头所在的位置t影响着外部质量因子．

1.3.1耦合系数 使用一个均匀的二分之一波长的传输线加载一个开路的不同阻抗的枝节来形成三频BPF．中心频率分别为2.51,4.90,7.50 GHz,3个通带的3-dB带宽(FBW)分别为13.54%,6.73%,5.06%．已知与所需3-dB带宽有关的耦合系数由耦合间隔(g)控制．为了满足三个通带的带宽的滤波器规格,耦合系数Ki,j可以从全波模拟传输系数计算得出,表示为

图5为不同g之间的耦合系数图．从图5可以看出,随着g的增大,两个通带的耦合系数逐渐下降,由于实验室的雕刻机精度为0.2 mm,故仿真实验采取g=0.2 mm．

图5 耦合系数图

1.3.2外部质量因子 外部质量因子(Qe)为滤波器输入输出到谐振器能量的大小,一般来说,外部质量因子越大,说明馈入的能量越大,品质也越好．对应于所设计的频率,其外部品质因子可以通过分析与对称平面抽头位置t之间的关系．从全波模拟传输系数理论来计算得到:

式中:ω0为谐振器的频率;Δω3-dB为3-dB的带宽．

图6为不同t下第三通带的外部质量因子图．从图6中可以看出,第三通带随着t的变大,其外部质量因子也变大．

图6 第三通带的外部质量因子

2 实验结果

根据模拟仿真的结果,制作滤波器,设计尺寸为:L1=22.75 mm,Ls1=6.8 mm,Ls2=6.675 mm,W1=1.8 mm(对应阻抗为60 Ω),Ws1=0.65 mm(对应阻抗为103 Ω),Ws2=0.8 mm(对应阻抗为90 Ω),g=0.2 mm,t=6 mm,α1=0.149,α2=0.146,k1=1.71,k2=1.55．滤波器加工实物见图7．整个三频滤波器的尺寸为0.24λ0×0.24λ0．图8为实测和模拟仿真性能的比较图．从图8可以看出,实测和模拟仿真的数据基本一致,实现了第一通带的中心频率为2.51 GHz,返回损耗|S11|>39 dB,插入损耗|S21|>0.31 dB,3-dB带宽为13.54%;第二通带的

图7 滤波器加工实物图

图8 实测和模拟仿真对比图

中心频率为4.9 GHz,返回损耗|S11|>17 dB,插入损耗|S21|>0.98 dB,3-dB带宽为6.73%;第三通带的中心频率为7.5 GHz,返回损耗|S11|>17 dB,插入损耗|S21|>2 dB,3-dB带宽为5.06%．由于采用了0度馈电方式,在频率为2.07,3.3,5.4和8.02 GHz处产生了4个传输零点,实现了滤波器的高选择性．

表1总结了所设计的滤波器与其他已有文献[8—11]的三频带通滤波器的比较．本文所设计的滤波器由两个SLUIR级联组成,减少了步阶阻抗所带来的不连续辐射损失,同时未使用DGS方法,保证了元器件的完整性．从表1可以发现,本文所设计的三频带通滤波器具有插入损耗低、带宽比较大,尺寸也较小的优点．

表1 设计滤波器与文献中三频滤波器比较结果

3 结语

SLUIR是一种简单的谐振器结构,它可以通过调节结构参数来控制多种谐振模式．本文通过两个SLUIR实现三频带通滤波器,利用奇、偶模阻抗分析方法分析其谐振条件,并通过计算耦合系数和外部质量因子来确定滤波器的响应．因此，滤波器的形成采用了电耦合和抽头度输入/输出结构．设计的滤波器中心频率为2.51,4.9,7.5 GHz,适用于4G通信系统、5G通信系统、卫星通信系统等．经过设计、制作和测试，该滤波器测量结果与仿真结果吻合较好,验证了设计思想．