支节加载双模带通滤波器设计

刘新红

(北京信息职业技术学院，北京100015)



支节加载双模带通滤波器设计

刘新红

(北京信息职业技术学院，北京100015)

摘要阶梯阻抗谐振器高低阻抗微带线直线连接，实现输入输出强耦合需要减小和方形环双模谐振器之间的耦合距离，距离过小会造成实物加工困难。为此，提出了高低阻抗微带线垂直连接且在连接处输入输出的方式，使高低阻抗微带线都能与方形环谐振器耦合，且输入和输出也能耦合，加大了阶梯阻抗谐振器和方形环谐振器的耦合以及输入和输出的直接耦合。仿真结果表明，该方法在提高滤波器性能的同时减小了电路尺寸。

关键词双模带通滤波器；方形环谐振器；支节加载；阶梯阻抗谐振器

Dual-mode Bandpass Filter Using Stub-Loaded Resonator

LIU Xin-hong

(BeijingInformationTechnologyCollege,Beijing100015,China)

AbstractHigh and low impedance microstrip lines of stepped impedance resonator are connected,and the input and output strong couplings need to reduce the coupling distance to square ring dual-mode resonator,but the circuit board production is difficult if the distance is too short.It is proposed that high and low impedance microstrip lines are connected vertically and the input and output are at the connection,so that the high and low impedance microstrip lines can couple with the square ring resonator,and the input and output can also be coupled.The coupling between stepped impedance resonator and square ring resonator and direct coupling between input and output both are enhanced.The simulation results show that the circuit size is reduced while the performance of filter is improved.

Key wordsdual-mode bandpass filter;square ring resonator;stub load;stepped impedance resonator

0引言

双模微带滤波器通过在谐振器中增加微扰的方式激励起2个简并模，用一个谐振器实现2个谐振器的功能，在减少滤波器尺寸的同时，降低损耗，并且由于结构简单、成本低和容易设计等优点，被广泛应用于卫星通信和无线通信中[1-3]。

方形环谐振器容易实现级联耦合，并且方形环谐振器是闭合式的，其辐射损耗比半开环谐振器小。采用在方形环谐振器中心加载开路支节的微扰方式，能够在保持奇模频率不变的基础上，通过调节开路支节的尺寸来调节偶模频率，带宽调节更加方便[4,5]。滤波器输入/输出与谐振器之间采用间隙耦合的馈电方式[6]，很难实现强耦合，通常滤波器的相对带宽都较窄。采用阶梯阻抗微带线结构实现输入/输出与双模谐振器之间的强耦合[7,8]，可实现较大带宽的滤波器。滤波器在通带上下两侧各具有一个传输零点，具有准椭圆函数响应[8]。

文献[8]中采用阶梯阻抗微带线高低阻抗线直线连接的形式，且和双模方形环谐振器的耦合间距为0.15 mm。高阻抗线和方形环同宽，这些方面存在电路尺寸大、采用减小耦合间距的方法增强耦合强度，使得实物制作因间距过小(一般标准为不小于0.2 mm)而难以实现的问题。针对上述问题，在保证加工时易于实现，最小尺寸取0.2 mm前提下，采用减小阶梯阻抗微带线耦合部分高阻抗线线宽至0.2 mm，将高阻抗微带线和低阻抗线垂直连接，增大阶梯阻抗线和方形环谐振器的耦合及输入和输出的直接耦合，从而整体上增加耦合强度，最终达到了增强带通滤波器性能和减小电路尺寸的目的。

1谐振器分析

1.1方形环双模谐振器分析

支节加载方形环双模谐振器的结构如图1所示。由于谐振器结构是关于TT′对称的，可以用奇偶模法分析[9]。

图1　支节加载方形环双模谐振器结构

谐振器的奇偶模等效电路如图2所示。奇模激励时TT′短路，偶模激励时TT′断路。

图2　支节加载方形环双模谐振器奇偶模等效电路

在奇模等效电路中，输入导纳YO为：

(1)

谐振时，YO=0，于是

tanθ1+tanθ2=0。

(2)

令θo=θ1+θ2，则

θo=π。

(3)

在偶模等效电路中，输入导纳Ye为：

Ye=jY0(tan(θ1+θ3)+tanθ2)。

(4)

谐振时，Ye=0，于是

tan(θ1+θ3)+tanθ2=0。

(5)

令θe=θ1+θ2+θ3，则

θe=π。

(6)

1.2阶梯阻抗谐振器分析

阶梯阻抗谐振器如图3所示。本谐振器将一般的阶梯阻抗谐振器的低阻抗微带线进行了90°旋转。输入(输出)从高低阻抗线交接点处引出。

图3　阶梯阻抗谐振器

输入导纳Y为：

Y=j(Y1tanθ1+Y2tanθ2)。

(7)

谐振时Y=0，则

Y1tanθ1+Y2tanθ2=0。

(8)

2支节加载双模带通滤波器设计

设计带通滤波器中心频率3.97 GHz，3 dB通带为3.74～5.2 GHz，通带内反射系数与带外抑制均大于20 dB。

介质材料为Rogers5880，相对介电常数为2.2，厚度为0.254 mm，微带线导体的电导率3.8×107，导体厚度0.018 mm，损耗角正切9.000×10-4。

所设计支节加载方形环双模带通滤波器结构如图4所示。

图4　支节加载方形环双模带通滤波器结构

2.1参数确定

首先根据前面推导出的公式并利用ADS软件的微带线计算工具计算各个部分的初始尺寸。

根据式(3)和式(6)，奇偶模谐振电长度都是θ=180°，奇模微带线长度小，偶模大(比奇模多了支节长)，对应半波长，故奇模频率比偶模频率高。

方形环阻抗选Z=50Ω，奇模频率选f=5.2GHz，电长度θ=180°，得微带线线宽W=0.76mm，奇模微带线长度Lo=21.11mm。

偶模频率选f=4.75GHz电长度θ=180°，得偶模微带线长度Le=23.11mm。

由此可得方形环边长L1=10.56mm，宽度W1=0.76mm，支节宽度Wb=1.52mm，长度d=2mm。

对于阶梯阻抗，频率选f=5GHz，高阻抗微带线长选L3=13mm，宽度选W3=0.2mm，得阻抗Z3=100.85Ω，电长度θ3=103°，低阻抗微带线长度选L2=5.6mm，得电长度θ2=46.33°，由式(8)计算得Z2=10.23Ω，由此得W2=2.03mm。高阻抗线和方形环的耦合间距S1=0.2mm

输入输出阻抗Z0=50Ω，长度L0=2.5mm。

2.2设计仿真与优化

利用HFSS软件按照确定的参数初值建立模型，仿真结果不符合要求，需要优化各部分的尺寸，以使带通滤波器的带宽、中心频率、带内衰减S21和端口反射系数S11等符合要求。

L1影响带通滤波器通带的上限、下限频率，增大会使2个频率都减小。支节长度d会影响下限频率，增大会使下限频率下降。阶梯阻抗谐振器影响中心频率，固定高阻抗微带线宽度W3=0.2mm，在高阻抗微带线长L3=13mm，低阻抗微带线长度L2=5.6mm，宽度W2=2.03mm初值基础上调整确定中心频率。

优化后的频率响应曲线如图5所示。

图5　支节加载双模方形环带通滤波器频率响应

优化后的带通滤波器的3 dB通带为3.74～5.2 GHz(相对带宽9.26%)，中心频率4.97 GHz处的衰减1 dB，通带内反射系数与带外抑制均大于20 dB。2个传输零点分别位于3.85 GHz和5.32 GHz，分别衰减67 dB和31 dB，有效地控制了带外衰减。文献[8]中4.97 GHz处的衰减1.33 dB。2个传输零点分别位于3.74 GHz和5.32 GHz。

优化后的尺寸，方形环边长L1=11.7mm，宽度W1=0.76mm，支节宽度Wb=1.52mm，长度d=1.5mm，阶梯阻抗高阻抗线长度L3=13.05mm，宽度W3=0.2mm，低阻抗线长度L2=5.9mm，宽度W2=1mm。

文献[8]电路尺寸为20.83mm×18.14mm，本设计电路尺寸为17.5mm×14.81mm。长度和宽度都减小了3mm多。

由于将阶梯阻抗谐振器的低阻抗微带线和高阻抗微带线成90°连接，加强了输入、输出耦合，并且通过减小高阻抗线的宽度，也加强了耦合，从而使间距S1由文献[8]中的0.15mm增大到0.2mm，从而减小了实物加工制作的难度，2个零点更加靠近，提升了带外抑制性能。中心频率处衰减减小，提升了传输特性。明显减小了电路尺寸。

3结束语

为了使滤波器实物加工制作易于实现，所有电路各组成部分尺寸不小于0.2 mm，在此情况下，为了增加各部分的耦合强度，以使滤波器通带衰减尽可能小，将阶梯阻抗的高阻抗线用最小0.2 mm线宽，和0.2 mm耦合间距，将低阻抗线和高阻抗线成90°连接而非直线连接，一方面阶梯阻抗线和方形环谐振器的耦合增强，也直接增强了输入和输出的耦合，从而使带内衰减减小，带外抑制性能提高。电路尺寸明显减小。

参考文献

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[9]ZHANG X Y,CHEN J X,XUE Q,et al.Dual-band Bandpass Filters Using Stub-loaded Resonators[J].Microwave and Wireless Components Letters,IEEE,2007,17(8):583-585.

刘新红女，(1971—)，硕士，讲师。主要研究方向：通信电路与系统。

作者简介

收稿日期：2015-12-21

中图分类号TN713.5

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)03-0062-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.17

引用格式：刘新红.支节加载双模带通滤波器设计[J].无线电工程,2016,46(3):62-64.