半圆环形双模带通滤波器的设计

陈新伟，段美玲，雷致萍

（1.山西大学物理电子工程学院，山西太原 030006；2.山西大学外国语学院，山西太原 030006）

0 引 言

随着无线通信技术的飞速发展，研制高选择性小型化的微带滤波器成为下一代移动通信和卫星通信系统的迫切需求.实现微带滤波器的小型化主要有以下途径：使用高介电常数的介质板、设计合适的滤波器结构和采用多模谐振器.其中微带双模滤波器具有小型化、低损耗和易产生传输零点等优势，已成为下一代无线通信系统的主要应用对象.实现相同阶数的滤波器，双模带通滤波器所需要的谐振器数目比普通单模滤波器所需要的谐振器数目减半，可以减小尺寸，从而达到小型化的目的.双模带通滤波器首先被Wolff提出［1］，此后，国内外学者又提出了很多种双模滤波器［2－7］，文献［2－3］给出了新颖结构的双模带通滤波器，文献［4］通过抑制寄生通带获得了宽阻带的双模滤波器，文献［5－7］为了增加通带的选择性，研究了传输零点的引入方法.

本文设计了一个中心频率为2.4 GHz的微带双模滤波器，由一个半圆环形的谐振器和一个T型微扰组成.T型结构具有两个可以调节的参数，增加了调整双模的自由度，可以改变谐振器的奇偶模谐振频率；并且通过增加输入和输出之间的耦合，可以在通带两边引入两个传输零点，从而改善滤波器的通带特性，提高其选择性.

1 半圆环形双模滤波器的分析

1.1 双模滤波器的结构

图1 双模带通滤波器结构Fig.1 Configuration of dual－mode bandpass filter

图1为半圆环形双模带通滤波器结构，它由全波长半圆环形谐振器和T型微扰构成，设计的滤波器制作在Rogers 5880，介电常数为2.2，衬底厚度为0.787 mm的衬底上.T型微扰结构具有高度和长度两个可调参数，增加了调整双模的自由度.半圆环形双模滤波器采用左右对称抽头耦合，并且顶端增加两条平行微带线结构，通过调节平行微带线的长度和间隔，可以改变传输零点的位置.

1.2 双模滤波器的等效电路

图2 半圆环谐振器等效电路Fig.2 The equivalent circuit of the semi－ring resonator

在图2（a）奇模等效电路中，负载ZL短路，谐振条件为：Yino＝0，则奇模谐振频率满足式（1）

在图2（b）偶模等效电路中，负载ZL开路，谐振条件为：Yine＝0，则偶模谐振频率满足式（2）

2 半圆环形双模滤波器的设计

本文设计的滤波器中心频率为2.4 GHz，半圆环形谐振器为全波长谐振器，其长度由式（3）确定

计算得出半圆环形谐振器的长度为94 mm.谐振器的双模频率选为2.3 GHz和2.48 GHz，由上述分析得半圆环形谐振器及输入输出耦合线的宽度w1均为0.7 mm，T型微扰的高度g为1.2 mm，长度ch为3.9 mm，输入输出微带线与半圆环形谐振器的耦合缝隙w4为0.2 mm，输入输出微带线顶端直接耦合部分间距w3为2 mm.传输线的阻抗选为50Ω，宽度w2为2.4 mm.

2.1 T型微扰对双模频率的影响

半圆环形谐振器电长度保持不变，研究T型微扰高度g及长度ch对双模的影响.

图3所示为长度ch的电长度一定，高度g取不同值时双模的谐振频率，图3中表明高度g增加时，偶模频率逐渐降低，奇模频率变化很小.图4所示为高度g一定，长度ch取不同值时双模的谐振频率，图4中表明随着长度ch的增大，偶模频率逐渐降低，奇模频率变化很小.

图4 不同ch下的奇偶模谐振频率Fig.4 The odd and even resonator frequencies for different ch

图3 不同g下的奇偶模谐振频率Fig.3 The odd and even resonator frequencies for different g

2.2 输入输出耦合结构对传输零点的影响

T型微扰双模滤波器的输入输出之间有两条传输路径，在某一频率上，两条传输路径传输的信号幅度相同，相位相反，输出端信号叠加产生了传输零点.半圆环形滤波器采用谐振器缝隙耦合和直接耦合的结构，可以方便地调节滤波器传输零点的位置，从而改善带外特性.在此研究直接耦合微带线长度b和平行微带线间距w3对传输零点的影响.

图5为直接耦合微带线长度一定，间距w3取不同值时的S参数曲线，图5中表明随着间距的减小，两传输零点靠近通带中心，提高了通带的选择性；图6为直接耦合微带线间距w3一定，长度b取不同值时的S参数曲线，图6中表明随着长度的增大，两传输零点同时向左偏移，且滤波器的中心频率保持不变.

图6 不同b下的S21Fig.6 The S21 for different b

图5 不同w3下的S21Fig.5 The S21 for different w3

3 仿真结果

根据图1所设计的中心频率为2.4 GHz的半圆环形双模滤波器，在软件HFSS中建立模型并进行电磁全波仿真.图1中的各部分参数为r1＝17.42 mm，w1＝0.7 mm，g＝1.2 mm，ch＝3.9 mm，w1＝0.70 mm，w4＝0.2 mm，w3＝2 mm，w2＝2.4 mm.仿真结果如图7所示.仿真的中心频率为2.4 GHz，相对带宽为10.5%，通带内插入损耗为0.32 dB，奇偶模谐振频率分别为2.37 GHz和2.48 GHz，两个传输零点位于2.12 GHz和2.78 GHz，带外衰减大于20 dB.

4 结 论

图7 仿真结果Fig.7 The simulated results

本文提出了一种双模带通滤波器结构，通过在圆环形谐振器内部增加一个T型微扰产生双模特性，改变T型微扰的两个可调参数，可以改变谐振器的奇偶模谐振频率，并且通过增加输入和输出之间的耦合，可以在通带两边引入两个传输零点，提高了通带的选择性.仿真结果表明，设计的滤波器工作在2.4 GHz，相对带宽为10.5%，通带内插入损耗低于0.32 dB，带外衰减大于20 dB.

［1］ Wolff I.Microstrip bandpass filter using degenerate modes of a microstrip circle resonator［J］.Electron.Lett.，1972，8（12）：302－303.

［2］ Hong J S，Lancaster MJ.Microstrip bandpass filter using degenerate modes of a novel meander loop resonator［J］.IEEE Microw.Guided Wave Lett.，1995，5（11）：371－372.

［3］ Zhu L，Tan B C，Quek S J.Miniaturized dual－mode bandpass filter using inductively loaded cross－slotted patch resonator［J］.IEEE Microwave Wireless Compon.Lett，2005，15（1）：22－24.

［4］ Karacaoglu U，Sanchez－Hernandez D，Robertson I D，et al.Harmonic suppression in microstrip dual－mode ring－resonator bandpass filters［J］.IEEE MTT－S Digest，1996：1635－1638.

［5］ Zhang X C，Yu Z Y，Xu J.Design of microstrip dual－mode filters based on source－load coupling［J］.IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.，2008，18（10）：677－679.

［6］ Li L，Li Z F.Application of inductive source－load coupling in microstrip dual－mode filter design［J］.Electron.Lett.，2010，46（2）：141－142.

［7］ 程维伟，尹治平，吕国强.基于微带SIR的单环及双环双模滤波器设计［J］.电子科技，2012，25（9）：75－78.

Cheng Weiwei，Yin Zhiping，LüGuoqiang.Study of single－loop and double－loop dual－mode filters with microstrip SIR［J］.Electronic Sci.＆Tech.，2012，25（9）：75－78.（in Chinese）