一种圆环形巴伦带通滤波器

张友俊,冯智超

(上海海事大学 信息与工程学院,上海 201306)

在现代微波通信系统中,为了降低噪声和高次谐波对通信系统质量的影响,对平衡元件和不平衡结构的需求日益增加。巴伦可以将不平衡信号转换为平衡信号,其平衡信号是由两个幅度相同但相位相差180°的信号分量组成[1],被广泛运用于混频器、放大器和天线馈电网络等。带通滤波器是频率选择的器件,它们在射频系统的前端占据着十分重要的地位。为了降低通信系统的成本和简化系统架构的设计,需要集成巴伦和带通滤波器,目的是在信号选择的同时实现信号单端到差分的转化。目前巴伦带通滤波器因具有独特的综合特性而倍受关注。

近年来,研究人员提出了各种微带巴伦带通滤波器的设计方法[2-15],如采用低温共烧陶瓷(LTCC)技术[2-6]来实现巴伦滤波器结构小型化,这种技术是将低温烧结陶瓷粉末制成厚度精确的陶瓷带,在高温下烧结,制作成三维空间互不干扰的高密度电路,但其制作成本高、难度大且设计较为复杂。Xia 等[7]采用空间耦合的陶瓷加载三角形谐振器(CLR)来设计巴伦带通滤波器,这种方法与传统的微带线滤波器相比,其插入损耗较小,并且采用了空间耦合结构,大大简化了电路结构,但是设计制作难度大,对加工工艺要求高。Sun 等[8]利用贴片谐振器本身的异相特性来设计巴伦带通滤波器。Wang 等[9]采用驻波模式和耦合短截线加载的谐振器来设计巴伦带通滤波器,虽然大大提高了带外抑制能力,但是其结构受到了电路尺寸的影响。Huang 等[10]利用多层液晶聚合物(LCP)电路技术设计出一种超宽带巴伦带通滤波器,虽然取得较好特性,但是其电路设计结构和工艺复杂,不易制作。

微带环形谐振器具有体积小、成本低、品质因素高等特点,在各种微波器件中得到广泛的应用。本文提出一种基于圆环形谐振器的巴伦带通滤波器,由一个圆环形谐振器、三个弧形馈电端口和八个均匀间隔分布的短截线及短弧构成。通过加载短接枝节微扰的方式激发了简并模式,调整激励端口的角度得到滤波器和巴伦的特性,可以产生两个传输零点,提高了带外性能。最后,为了验证该方案,通过软件HFSS 15.0 仿真优化,再结合实物加工测试,对该微带圆环形巴伦滤波器的设计进行了初步的验证。

1 滤波器理论及分析

1.1 圆环形谐振器

在微带线滤波器的设计中,圆环形谐振器已经被广泛使用到多种滤波器的结构当中。图1 为圆环形巴伦滤波器的拓扑图,该巴伦滤波器由三个激励端口(Port1～Port3)和八个用于激发简并模的短截线以及圆弧,以相等的间距和宽度分别连接到圆环形谐振器上,不平衡输出端口Port1与平衡输出端口Port2之间的电长度为θ1,不平衡输出端口Port1与平衡输出端口Port3之间的电长度为θ2,两个平衡输出端口Port2和Port3之间的电长度为θ3=θ1+θ2=180°,这使两个端口的平衡输出具有适当的相位差。本文使用短圆弧平行耦合线作为馈电端口的集总电容Cf。

图1 圆环形巴伦滤波器拓扑图Fig.1 Topological structure diagram of circular balun filter

如图1 所示,θ1、θ2和θ3分别为相邻两个端口之间圆环路径的电长度,在馈电端口处极弱的电容耦合下[11],谐振发生在:

由于一个端口到另一端口的不同路径之间的横向干扰,其传输零点出现在:

在第一次谐振时,圆环谐振器的总电长度等于360°,因此φ=θ1=360°-θ2-θ3,当θ1=20°时,θ2+θ3=340°=17θ1,在这种条件下,传输零点出现在3.8 GHz。测试了θ1分别为20°,40°,60°时,S21和S31(插入损耗)的幅度频率响应,如图2 所示,可以看出,当θ1=20°时,S21和S31的幅度相差不大,插入损耗较小,带外抑制也较好,所以选择端口Port1和端口Port2分离角度为20°。

图2 θ1调节的频率响应Fig.2 θ1 adjusted frequency response

图3 为圆环形巴伦滤波器电路等效传输线模型,为了方便计算输入Port1和输出Port2,输出Port3,这三个端口由特性阻抗Z0终止。Z1为圆环的阻抗特性,两条传播路径分为上下(Upper,Lower)两部分。

图3 圆环形巴伦滤波器的等效电路图Fig.3 The equivalent transmission line simulation diagram of circular balun filter

利用传输线模型和ABCD参数转换为Y参数[12]可以计算出环形谐振器的总转移导纳Y21,t。

式中:Z1是圆环传输线的特性阻抗;w为角频率;Cf为馈电端口的集总电容;θ1是无损传输线的传播常数;ZStub是短截线和短弧的特性阻抗;Z21,u是向上传输线路的特性阻抗;Z21,l是向下传输线路的特性阻抗。

通过让上下两部分的导纳相等,即Y21,u=-Y21,l,可以求出巴伦滤波器的传输零点。通过HFSS 15.0 仿真可以看出,两个零点分别出现在通带两侧。从图2可以看出,不同电长度θ1的大小会对简并模式的分离产生影响。经过仿真开路枝节的个数与长短也会对简并模的分离程度有影响。通过仿真,在电长度为20°时,可以激发简并模式且耦合强度较高。

1.2 弧形馈电端口

巴伦滤波器由圆环双模谐振器和馈电结构组合而成,加载合适的馈电结构可以实现馈电端与圆环谐振器之间的良好电磁耦合。本文采用弱耦合的馈电方式,源和负载难以实现强耦合,滤波器的性能较差,为了实现馈电端与圆环形谐振器之间较好的耦合从而达成有效滤波的目的,在环形谐振器的平衡与不平衡输入和输出端口分别加载了一段圆弧开路枝节,通过增加弧线的耦合长度来实现增强源和负载两者之间的耦合度。

当弧形开路枝节的长度发生变化时,巴伦滤波器的S21和S31参数也会随之改变。取圆弧开路枝节长度n分别为3.66,5.49 和7.32 mm 进行仿真实验,巴伦滤波器的S21和S31变化结果如图4 所示。从图4 可以看出,n为3.66 mm 时,因圆弧枝节长度较小而耦合度低,无法实现对谐振器的强激励。当n为5.49 和7.32 mm 时,源和负载的耦合度变强,而且随着馈电圆弧长度的增加,巴伦滤波器通带变宽,但是其幅度不平衡度会随之变差。因此可以通过调整馈电弧的长度来调控巴伦滤波器的通带宽度,本文选择幅度不平衡度仿真表现较好的5.49 mm 馈电端口长度进行实物加工。

图4 改变弧形馈电结构的长度对滤波器性能的影响Fig.4 Effect of changing the length of arc feed structure on filter performance

2 巴伦滤波器设计

基于上述对圆环谐振器的理论分析,通过HFSS 15.0 仿真并优化,设计出一种圆环形巴伦滤波器,图5 为提出的圆环形巴伦滤波器拓扑结构图,圆环形谐振器内外半径分别用r1和r2来表示,其宽度为W4;不平衡激励端口(Port1)与两个平衡激励端口(Port2,Port3)的角度分别为θ1和θ3+θ4+θ5,环内短弧的角度为θ3,环内短路枝节长度为L1,短截线和短弧枝节宽度分别为W1、W3,弧形馈电结构的角度为θ2,不平衡馈电端口与环形谐振器的距离为D1,两个平衡端口与环形谐振器的距离为D2,弧形馈电端口的宽度为W2。具体尺寸如下:r1=6.49 mm,r2=6.09 mm,W1=0.4 mm,W2=0.4 mm,W3=0.4 mm,W4=0.4 mm,D1=0.1 mm,D2=0.2 mm,θ1=20°,θ2=45°,θ3=30°,θ4=65°,θ5=65°,L1=0.4 mm。

图5 提出的圆环形巴伦滤波器拓扑图Fig.5 Proposed structure diagram of circular balun filter

3 实物加工与测试结果

圆环形巴伦滤波器采用相对介电常数为2.65,厚度为1.0 mm 的介质基板,图6 为圆环形巴伦滤波器实物加工图。实物测试与仿真的频率响应对比如图7 所示,图中实线为仿真结果,虚线为实物测试结果,实物测试结果与仿真结果存在一定的偏差,主要来源于加工精度和接口处手工焊接SMA 接头的误差所导致,但是可以看出两者基本一致。圆环形巴伦滤波器通带的中心频率为4.54 GHz,通带宽度为0.24 GHz,相对带宽为5.3%(4.38～4.62 GHz),采用圆环谐振器成功激发了简并模式,得到的滤波器尺寸为16 mm×18 mm(0.20λg×0.24λg,λg是频带中心频率的波长)。图8 为测量和仿真的平衡输出的两个端口的振幅和相位不平衡度,在4.50～4.60 GHz 通带范围内,不平衡端口的回波损耗低于20 dB,插入损耗优于5 dB。在工作频带上两个平衡端口测量的幅度差为0.5 dB,相位差为(180°±3°)。

图6 滤波器实物图Fig.6 Physical diagram of bandpass filter

图7 实测与仿真S 参数对比图Fig.7 Comparison of S parameters between physical test and simulation

图8 实测相位差和幅度差Fig.8 Measured phase difference and amplitude difference

表1 为本文巴伦滤波器与其他文献提出的巴伦滤波器的性能比较。从表1 可以看出,所提出的圆环形巴伦滤波器具有插入损耗低、平衡输出端口幅度差和相位差小、尺寸紧凑等优点。

表1 本文与其他文献巴伦带通滤波器的性能比较Tab.1 Performance comparison of balun bandpass filters proposed in this paper with other literatures

4 结论

本文研究并设计了一种基于圆环形谐振器的微带巴伦滤波器,在弧形馈电端口以合理角度摆放的激励下,激发了简并模式实现滤波功能且具有巴伦特性。并且通带宽度可以通过弧形馈电结构的馈电长度来控制,验证了设计方法的可行性。在工作频带上两个平衡端口测量的幅度不平衡度为0.5 dB,相位不平衡度为(180°±3°),滤波器尺寸为16 mm×18 mm(0.20λg×0.24λg)。满足了结构简单、高带外抑制和小型化的要求,因此在无线通信领域具有应用价值。