微波双带带通滤波器的研究与进展

张智 翀 ,沈 溧 ,姜 杨 ,史丽云 ,官雪辉 ,刘海文

(华东交通大学信息工程学院,江西南昌330013)

伴随着信息革命的浪潮,无线通信技术近几年进入了高速发展时期。由于人们可以使用的频谱资源是有限的,特别是射频与微波频段低段可以说已经到了捉襟见肘的地步,因此单频段通信系统已显得陈旧,不能很好地满足无线通信的需求,通信向更高频段发展,又同时能兼容现用的各种通信频段资源的双频和多频通信系统是今后无线通信的一个发展方向。为了充分利用现有的频谱和基础设备资源,在通信系统中设置能同时工作的多个通信频段,有效途径之一就是研究和开发高性能的双频段微波滤波器。双频段微波滤波器,是用一个双频段单元来处理两个波段的信号,这种设计概念提供了容易实现的基础设施和高性能的产品。采用具有单端口输入单端口输出的双频段滤波器可以大大降低系统体积,提高系统可靠性,因此通信设备中双频段滤波器已经成为微波频段的无线通信设备中的重要元件。近年来中国的通信与信息技术发展及应用日新月异,通信与信息产业已成为我国的经济支柱产业之一,而无线通信相关产业又是其中发展最快的部分之一,例如,双频滤波器已经广泛应用于GSM/GPRS系统(0.9/1.8 GHz频段)、WLAN系统(2.4/5.2/5.8GHz频段)等无线通信领域。因此研究双频段滤波器理论,开发无线通信中的双频段滤波器具有极其重要的理论意义、极大的经济效益和广阔的应用前景。

1 微波双带带通滤波器主要实现形式

近年来微波双带带通滤波器出现了各种新型结构,从主要设计思想、设计方法来看可分为5大类,分别是加载枝节方法、双谐振器方法、阶跃阻抗高次谐波方法、缺陷地方法、双模方法。

1.1 加载枝节方法

加载枝节方法的微波双频带滤波器由导纳变换器、相当于电感的细传输线与相当于电容的粗传输线组成,其主要通过加载短截线长度粗细的不同来得到不同的谐振频率以达到双通带的目的。其设计的主要思路是利用低通原型电路,采用一次频率变换后得到带通滤波特性电路,得到的带通滤波器通过另一次频率变换后得到双频带通滤波器,在进行频率变换的同时,通过引入导纳变换器对电路经过二次变换,得到只含有LC串联或LC并联谐振器与导纳变换器的双频带通电路。而在实际设计中,电路中的导纳变换器可以用四分之一波长微带线来实现,LC串联谐振回路和LC并联谐振回路分别可用四分之一波长开路线和短路线实现。通常为了提高滤波器的边带特性,常需要增加滤波器的级数来实现。

2007年Guan Xuehui与Ma Zhewang[1]提出了一种可控制带宽的双带带通滤波器,该滤波器工作于2.4 GHz和5.2 GHz频段,使用了微带开路短截线作为导纳变换器,可以简单地控制双带宽,开路短截线还可以产生3个传输零点以达到在通带附近更锐利的衰减以及两个通带之间更大的隔离带。其结构如图1所示。

2008年Li Lin与Li Zhengfan[2]提出了一种产生多传输零点的双带带通滤波器,该滤波器工作于1.9 GHz和4.34 GHz频段,谐振器由一个并联开路短截线和一个并联短路短截线组成,其特点是可以产生多个传输零点,其传输零点主要是由电学长度为kπ(k=0,1,2,…,n)的短路短截线与电学长度为0.5kπ(k=1,2,…,n)的开路短截线产生的。其结构如图2所示。

图1 可控制带宽的双带带通滤波器结构

图2 产生多传输零点的双带带通滤波器结构

2008年Ma Zhewang与Taichi Shimizu等人[3]提出了一种使用微带复合谐振器的双带带通滤波器,该滤波器的主要特点是在导纳变换器后使用了一种复合的谐振器,如图3所示,谐振器A与谐振器B可等效为两组串联谐振器再并联的复合谐振器,其中心频率与通带带宽可以分开控制,大大提高了双带带通滤波器的可控性。

1.2 双谐振器方法

图3 使用微带组合谐振器的双带带通滤波器结构

用双谐振器来实现微波电路的双通主要有三种实现形式,分别是并联、串联与内嵌的方法,这三种实现形式是由滤波器不同的组合方式决定的。其中并联的方法中双通带中心频率位置和带宽是由每一个带通滤波器独立决定的,因此通带的调节比较灵活,但其缺点是整体体积过大,还需要考虑低频寄生通带对高频通带特性的影响。串联的方法主要通过在滤波器的不相邻谐振器之间引入交叉耦合,在滤波器的阻带产生传输零点,能提高滤波器的边带特性和阻带特性,其缺点是滤波器采用抽头的形式进行输入输出耦合,同一抽头位置两个频段的外部品质因数难以同时达到设计要求。内嵌的方法主要因为二分之一波长谐振器在两个不同的频段引导波长的不同可以产生双通效果,且高频通带的谐振器物理尺寸较小,可以采用内嵌的方式,大大减小了体积,其缺点是内外谐振器的耦合与双频段要求的两个中心频率在调节上可能产生矛盾。

1.2.1 并联

2005年Chuang Minglin[4]提出了一种双带耦合微带开环滤波器,该滤波器由两个单一衬底上的两个单通带滤波器组成,使用了耦合馈线结构,两个谐振器放在耦合馈线的两端,下方的谐振器还采用了一种弯折的结构,上下谐振器由于长度的不同造成电感与电容的不同,于是谐振频率也不相同,产生了双通带。其结构图如图4所示。

2006年Chen Chuyu与Hsu Chengying等人[5]提出了一种使用双平行输入结构的双带滤波器,该滤波器工作于2.45 GHz和5.7 GHz频段,其主要特点是两谐振器之间采用了电耦合与磁耦合共存的混合耦合方式,磁耦合强度和谐振器的传输线宽度有关,阻抗越大的传输线,电流分布越大,产生的磁场也越大,因此采用了阶跃阻抗谐振器的结构。因为是双平行输入结构,该滤波器的频率选择性与插入损耗被大大改善,且尺寸更加紧凑,在无线通信中有着广泛的应用前景。其结构图如图5所示。

图4 双带耦合微带开环滤波器结构

图5 使用双平行输入结构的双带滤波器结构

2008年Lung Hwa与Gerald L Stolarczyk等人[6]基于上面同样的原理提出一种使用平行连接开路环形谐振器的双带带通滤波器,该滤波器工作于1.85 GHz和2.33 GHz频段,其产生双频段主要是由于上下不对称的馈线结构造成了谐振频率的不同。该滤波器生产时无需打孔到地,且高频通带不是由二次谐波产生,其双通带的位置可以随意调节,每个通带可以单独优化,具有良好的可调性。其结构图如图6所示。

1.2.2 串联

图6 使用平行连接开路环形谐振器的双带带通滤波器结构

2007年 Jiang Meshon与Lin Hueiping等人[7]在提出了一种对高次谐波抑制的双通带准椭圆函数滤波器,该滤波器工作在2.4 GHz和5.2 GHz频段,其交叉耦合结构可以在设计的频段产生一对传输零点来增强通带的选择性,不同于传统的阶跃阻抗谐振器,该阶跃阻抗谐振器被折叠形成了一条有着奇偶模特性阻抗的耦合线。此滤波器和上面所述滤波器最大的不同就是他们中的第3个谐振器交错能实现高次谐波抑制。其结构图如图7所示。

1.2.3 内嵌

2006年Chen Chifeng与Huang Tingyi等人[8]提出了一种谐振器内嵌的滤波器,该滤波器主要工作原理如图8所示,谐振器1分别通过导纳变换器与上下不同的均匀阻抗谐振器和阶跃阻抗谐振器耦合,再通过导纳变换器与谐振器4耦合,以及谐振器1与谐振器4直接通过导纳变换器耦合,于是产生了具有良好特性的双通带滤波器。

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2009年Zhang Xiuyin与Jin Shi等人[9]提出了一种使用新型传输结构的双带带通滤波器,该滤波器工作在1.8 GHz和2.45 GHz频段,产生双频带主要是由于内外的均匀阻抗谐振器的物理尺寸不同,以致于引导波长不同,在不同的频率段产生谐振,外部的谐振器产生低频段的通带,内嵌的谐振器产生了高频段的通带。此外,其中内嵌的谐振器还采用了交趾结构,大大增强了其耦合特性。其结构图如图9所示。

图7 高次谐波抑制的双通带准椭圆函数滤波器结构

图8 谐振器内嵌的滤波器结构

1.3 阶跃阻抗高次谐波方法

SIR(阶跃阻抗谐振器)就是由两个以上具有不同特征阻抗的传输线组合而成的横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器。这种谐振器的最主要优点就是在结构和设计上有很大的自由度。这种方法的原理是利用SIR能产生可控谐振频率与二次谐波频率,把SIR谐振器的基频设置成我们所需要的双频中的较低频,把SIR谐振器的二次谐波频率设置成我们所需要的双频中的较高频,从而实现双频带。实现公式为其中:f0为SIR的谐振频率(也就是基频);f1为SIR的二次谐波频率;K0为SIR的阻抗比。

图9 新型传输结构的双带带通滤波器结构

2005年Sheng Sun和 Lei Zhu等人[10]提出用上述方法实现的双带带通滤波器,该滤波器工作在2.4 GHz和5.2GHz频段。图10为该滤波器的结构图,外部为50 Ω输入输出馈线,内部为一对二分之波长SIR,对于 SIR,调节 K0,使得同时调节SIR的长度,使得f=2.4 GHz,从而实现双带带通特性。

2007年Chang Yuchi和Kao Chiahsiung[11]等人提出既然二分之波长SIR能实现,那四分之波长SIR也能实现。图11为四分之一波长SIR实现的双带带通滤波器的结构图,外部为50 Ω输入输出馈线,内部为一对四分之波长SIR。

图10 利用二分之波长SIR的谐波的双带带通滤波器结构

图11 利用四分之波长SIR的谐波的双带带通滤波器结构

1.4 (DGS)缺陷地方法

DGS(Defect Ground Structure)缺陷地结构就是在接地面刻蚀缺陷图案,这种结构有着极好的带隙效应和慢波效应。最早是2001年,韩国安教授在“A design of the low-pass filter using the novel microstrip defected ground structure”[12]首次提出的。此后,DGS广泛应用于微波、毫米波电路。这种方法的原理是利用DGS也能构成谐振器,因此可以做成我们所需要的两种不同频率的两对谐振器,从而实现双频带特性。根据这两对谐振器是否都由DGS构成,可以分为两对谐振器都由DGS构成和一对DGS另一对微带SIR(或UIR)。

1.4.1 两对谐振器都由DGS构成

2008年Wu Bian,Liang Changhong等人[13]提出利用两对DGS谐振器实现双带带通特性。如图12所示,面积较大的这对DGS谐振器实现1.85 GHz带通特性,面积较小的这对DGS谐振器实现2.35 GHz带通特性,从而实现双带带通特性。

2008年Wu Bian,Liang Changhong等人[14]又提出利用一对谐振器由DGS构成,另一对由微带构成,实现双带带通特性。如图13所示,下面的DGS谐振器实现2.35 GHz带通特性,上面的微带SIR谐振器实现3.15 GHz带通特性,从而实现双带带通特性。

图12 利用两对DGS谐振器的双带带通滤波器结构

图13 利用一对谐振器由DGS构成另一对由微带构成的双带带通滤波器结构

1.5 双模方法

两个闭合环路可以看作两个全波长谐振器,由于这两个全波长谐振器的长度不同,大环可以在较低频谐振,小环可以在较高频谐振。因此可以产生两个谐振频率,再加上微扰可以劈开双模,利用这个原理可以做成双模双带带通滤波器。

2007年Chen Z X,Dai X W等人[15]提出利用大方形环嵌套小方形环加微扰可以产生双模双带带通特性。图14为大方形环嵌套小方形环的双模双带带通滤波器结构设计图,大方形环嵌套着小方形环,p,q所对应的方形贴片就是用来劈开双模的微扰。该滤波器实现的是3.7 GHz,5.8 GHz双模双带通特性。其中大方形环谐振器的谐振频率为3.7 GHz,小方形环谐振器的谐振频率为5.8 GHz。

图14 大方形环嵌套着小方形环的双模双带带通滤波器

2007年Zhao L P,Dai X W,Chen Z X等人[16]提出利用大三角形环嵌套小三角形环也可以产生双模双带带通特性。图15为大三角形环嵌套小三角形环的双模双带带通滤波器结构设计图,大三角形环谐振器的谐振频率为5.15 GHz,小方形环谐振器的谐振频率为7.28 GHz。

图15 大三角形环嵌套着小三角形环的双模双带带通滤波器

2 我们的工作

WLAN(Wireless Local Area Network)指应用无线通信技术将计算机设备互联起来,构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。无线局域网本质的特点是不再使用通信电缆将计算机与网络连接起来,而是通过无线的方式连接,从而使网络的构建和终端的移动更加灵活。由于无线局域网的通信频率为2.4 GHz和5.2GHz。我们设计了一个通带分别为2.4 GHz,5.2 GHz的双带带通滤波器,结构图如图16,其中2.4 GHz为基频,5.2 GHz为二次谐波频率,其幅度与频率关系如图17所示。

该滤波器的优点为

(1)这两个通带频率可控,根据第3种方法阶跃阻抗高次谐波方法,我们将其调节至2.4 GHz和5.2 GHz。

(2)外部品质因数Qe可以通过改变输入输出较短耦合馈线的长度来调节。

(3)谐振器之间的耦合系数K可以通过改变这两个谐振器之间的距离直接调节。

图16 我们设计的双频段滤波器结构图

图17 双频段滤波器结果图

3 微波双频带滤波器研究态势与未来展望

通过上述对微波双带带通滤波器设计方法的归纳与总结,微波双带带通滤波器还存在以下几方面值得进一步扩充和深入。

滤波器带宽的控制。利用SIR结构和慢波结构谐振器可以实现滤波器通带位置的控制,但是谐振器之间的耦合需要同时满足两个频段的要求,因此滤波器的频带控制范围比较小。并且为了提高滤波器的特性,在增加滤波器的级数时谐振器之间的耦合更难设计,特别当滤波器引入交叉耦合时,同一谐振器需要满足两个频段、两组耦合系数的要求,实现方法还值得进一步探讨。

滤波器的高性能化。高性能的滤波器是滤波器设计者的一个孜孜不倦的追求目标,双频段滤波器也不例外。在利用通用滤波器电路综合设计双频段滤波器时,虽然带宽可以比较自由控制,但是由于电路中需要的双频段倒置变换器,这种直接耦合形式的双频段滤波器的低频特性比较差,同时由于电路的谐波响应,滤波器的阻带非常窄,因此滤波器的阻带特性还有待提高。

双频带滤波器的小型化也是滤波器设计的一个重要课题。各种形式的谐振器结构和滤波器电路结构都用来降低滤波器的体积,但是这些方法都是基于单层电路。采用多层电路也可以有效降低滤波器的体积,特别是LTCC技术,把滤波器电路的各个部分分别安排在多层结构的层面上,滤波器的体积可以做的非常小,适合在模块化电路中应用,也有利于滤波器的批量生产,降低成本。

本文系统分析了双频段滤波器的设计理论和方法。随着通信技术的不断发展,相信在不久的将来,会有更多的通信频段应用到生活中,满足人们日益增长的多元化通信要求,因此,多频段共用技术必将得到更大地发展。这种发展和应用双频段(多频段)通信技术,不但可以缓解频谱资源日益紧张的问题,而且建设和发展多频段通信也可以为国家节省大量的通信产业基础建设资金。

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