新型三阶SIR高阻带抑制双通带滤波器

姜逸飞,孟令琴,杨广立

(1．上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海 200072; 2.东南大学毫米波国家重点实验室,南京 210096)

新型三阶SIR高阻带抑制双通带滤波器

姜逸飞1,2,孟令琴1,2,杨广立1

(1．上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海 200072; 2.东南大学毫米波国家重点实验室,南京 210096)

采用三阶信噪比(signal to interference ratio,SIR)干扰谐振器作为基本谐振单元,通过调整阻抗比控制主频和第一杂散频率的位置,设计了一种新型高阻带抑制双通带滤波器.滤波器第一通带由主谐振频率产生,第二通带由第一杂散频率产生.运用三角耦合结构作为该滤波器的拓扑结构,使得整体滤波器呈现出带外传输零点和阻带的高抑制度.使用交指型耦合结构实现输入/输出端的强耦合,得到较高的外部品质因数.该滤波器的两个通带中心频率分别为1.57 GHz(GPS)和2.5 GHz(4G),3 dB带宽分别为4.0%和2.4%.结果表明,测量结果和仿真结果基本吻合.

三阶SIR谐振器;三角耦合结构;高抑制度;传输零点

随着现代无线通信系统的发展,尤其是多频通信系统的崛起,频谱资源日益紧张,电磁干扰情况日益严重.这一系列问题的产生使得在通信系统中起着频率选择、抑制干扰作用的多频滤波器引起了学者的广泛重视.微波滤波器以其低成本、轻重量和易加工等优点,越来越多地被应用于无线通信系统中.近年来,多种无线通信协议得到发展,随之而来的是多频系统成为研究热点,其中微带双频滤波器受到越来越多的关注[1-5].双频滤波器的设计方法有很多种,比较常见的有单通带滤波器组合法产生双通带响应[1]、双/多模谐振法[2-4]及双通带传输函数法[5]等.Miyake等[1]通过将两个单通带滤波器并联实现双通带的滤波器特性,这种结构的缺点是物理体积大、带内损耗大;Zhang等[2]介绍了方形谐振器的简并模分裂法构成的双通带滤波器,这种结构的劣势在于物理结构复杂,加工难度大;Liu等[3]和Chen等[4]描述了阶跃阻抗谐振器构成的双通带滤波器,但其杂散频率影响大、通带间抑制度不理想.

本工作基于传统的三阶信噪比(signal to interference ratio,SIR)干扰谐振器,提出了一种新型高阻带抑制三阶SIR滤波器.该滤波器分别通过调整两组阻抗比,使主频和第一杂散频率出现在需要的工作频段,同时使第二杂散频率远离工作频段;另外,通过引入三角形拓扑结构,使两个通带的上、下阻带各自出现一个传输零点,同时实现通带间的高隔离度,最终设计滤波器分别工作于1.57 GHz(GPS)和2.5 GHz(4G)2个频段;最后,对滤波器进行加工和测量,并对其性能进行了分析.

1 设计理论

1.1 三阶SIR谐振器

1.1.1 三阶SIR的谐振特性

图1为三阶SIR谐振器的基本结构,如果忽略谐振器结构的阶跃不连续性和边缘电容效应影响,则谐振器端口的输入导纳[6]为

图1 三阶SIR谐振器Fig.1 Tri-section SIR resonator

由式(4)可得该谐振器的多个谐振频点及各个频点对应的电长度.设主频为f0,第一杂散频率为f1,第二杂散频率为f2,其对应的电长度分别为θ0,θ1,θ2,则

三阶阶跃阻抗谐振器总电长度为

由式(5)～(7)可得第一杂散频率与主频及第二杂散频率与主频的比值分别为

式(9)和(10)为三阶SIR谐振器的主要设计公式.可以运用式(9),通过调整两组阻抗比和电长度θ0将主频和第一杂散频率设置在需要的两个工作频点;同时运用式(10),通过调节两组阻抗比使得第二杂散频率远离第二个工作频段,从而保证第二通带的选频特性.

1.1.2 三阶SIR的谐振点控制

基于上述理论部分的讨论,在设计滤波器时可以通过如下方式来控制谐振频率的设置: (1)将三阶阶跃阻抗的电长度统一设置为θ,满足主频f0的谐振位置;

(2)在满足第二杂散频率f2远离第一谐振频率f1的动态范围内变化阻抗比;

(3)根据所需的第一杂散频率f1的位置变化阻抗比K1,K2.

图2为不同阻抗比所对应f1的变化趋势.图中,随着K1逐渐变大、K2逐渐变大,保持主频f0不变的同时,使得第一杂散频率f1逐步上升.

1.2 耦合拓扑结构

已有的三阶SIR谐振器通常只是将两个谐振节点串联或者并联[7-10],这种简单的组合形式无法实现较好的选频特性,即传输零点的产生以及通带间的良好抑制度.为了产生传输零点和通带间高抑制度,本工作率先将三角形拓扑结构引入三阶SIR滤波器.图3为三角形拓扑结构,该结构由3个谐振节点构成,其主通路为第一谐振器到第二谐振器再到第三谐振器,另外第一和第三谐振器之间存在副通路.根据文献[11],当主通路为电耦合,同时副通路为磁耦合时,在主频谐振点的左侧将形成一个传输零点;与此同时,第一杂散频率也将在通带右侧产生一个传输零点.

图2 三阶SIR谐振器频点分布Fig.2 Frequency of tri-section SIR resonator

图3 三角形拓扑结构Fig.3 Tri-section topology structure

1.3 三阶SIR滤波器的强耦合结构

如果要获得较好的滤波性能,就需要实现足够小的带内插损.根据文献[12],如图4所示的交趾耦合结构能够实现输入/输出端口的强耦合,这种强耦合可以大大提高滤波器的外部品质因数,从而改善滤波器的带内插损.

图4 交趾耦合结构Fig.4 Interdigital fnger coupling structure

2 滤波器设计

2.1 拓扑结构分析

为了设计符合上述拓扑结构的滤波器,本工作在图1的基础上将基本谐振单元进行弯折.通过三维电磁仿真得到如图5和6的电磁场分布.从图中可知,当发生谐振时谐振器两臂为强电场,中间为强磁场.当满足一定的物理结构时,可以实现前文介绍的三角形拓扑结构.

2.2 滤波器设计结构

图7为本工作提出的三阶SIR高阻带抑制双通带滤波器,其中3个三阶SIR谐振器为基本谐振单元.为了实现高阻带抑制,需将谐振单元进行弯折后,满足三角形拓扑结构.通过调整3个谐振单元的耦合距离和耦合尺寸使得在滤波器的第一通带左侧和第二通带右侧分别产生一个传输零点,这两个传输零点的产生大大提高了所设计滤波器的选频特性.另外,由于3个谐振节点的交叉耦合,使得两个通带间的抑制度非常高.

图5 电场分布Fig.5 Plot of electric feld

图6 磁场分布Fig.6 Plot of magnetic feld

图7 三阶SIR滤波器Fig.7 Tri-section SIR flter

所设计滤波器指标如下:第一通带中心频率为1.57 GHz,相对带宽为4.0%,带内回波损耗大于15 dB,传输零点位于1.52 GHz;第二通带中心频率为2.5 GHz,相对带宽为2.4%,带内回波损耗大于15 dB,传输零点位于2.7 GHz.两通带间的回波损耗大于38 dB,实现了阻带的高抑制度,较好地隔离了2个通带间的干扰.滤波器最终的设计尺寸如表1所示.

3 加工与测试

根据滤波器的仿真模型,利用标准印刷电路板工艺对滤波器进行加工.加工所用基板材料为Rogers5880,厚度为0.787 mm,介电常数为2.2,滤波器实物如图8所示.通过Keysight N5071C网络分析仪的测量,可得到滤波器的仿真与测量结果(见图9).

表1 滤波器结构尺寸Table 1 Dimensions of the proposed fltermm

图8 滤波器实物图Fig.8 Photograph of the proposed flter

图9 滤波器频响特性仿真与测试结果Fig.9 Simulated and measured results of frequency responses of the proposed flter

由图9可以看出,滤波器的实测结果与仿真结果的吻合度较高,验证了本设计的有效性.实测滤波器的两个通带内的最大插损为1.9 dB,带内回波损耗皆大于13 dB.第一通带左侧出现一个传输零点,第二通带右侧出现一个传输零点.两个通带之间的抑制度较好,回波损耗实测大于40 dB.第二通带右侧的阻带性能也较好,3.5 GHz处回波损耗仍大于20 dB.但实测结果中第一通带带宽比仿真结果有所减小,左侧传输零点向通带靠近,造成这种现象的主要原因是由于加工误差、基板的不均匀性和SMA(sub miniature A)接头的焊接损耗.总之,本设计仍然实现了高阻带抑制度的性能.

4 结束语

本工作研究了由三阶SIR谐振器构成的三角形拓扑结构的阻带抑制性能,并在此基础上引入强耦合结构设计了新型高阻带抑制的双通带滤波器.测试与仿真结果表明,所设计滤波器的带间抑制达到−40 dB,高频段的20 dB阻带频率达到了3.5 GHz以上,第二杂散频率远离主通带和第二通带.相比较于传统的SIR或三阶SIR谐振器,本设计的阻带抑制度明显提高,带间的抑制度得到明显改善;同时保留了微带滤波器的低成本、易加工、高性能的优点,能够广泛适用于微波电路与系统.

[1]MIYAKE H,KITAZAWA S,IsHIZAKI T,et al.A miniaturized monolithic dual band flter using ceramic lamination technique for dual mode portable telephones[C]//IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.1997:789-792.

[2]ZHANG X Y,XuE Q.Novel dual-mode dual-band flters using coplanar-waveguide-fed ring resonators[J].Microwave Theory and Techniques,2007,55(10):2183-2190.

[3]LIu H,WANG Y,WANG X,et al.Compact and high selectivity tri-band bandpass flter using multimode stepped-impedance resonator[J].Microwave and Wireless Components Letters,2013, 23(10):536-538.

[4]CHEN W,WENG M,CHANG S.A new tri-band bandpass flter based on stub-loaded stepimpedance resonator[J].Microwave and Wireless Components Letters,2012,22(4):179-181.

[5]TsENG C H,SHAO H Y.A new dual-band microstrip bandpass flter using net-type resonators[J].Microwave and Wireless Components Letters,2010,20(4):196-198.

[6]CHEN Y,HsIEH Y,LEE C,et al.Tri-band microstrip BPF design using tri-section SIRs[C]// Antennas and Propagation Society International Symposium.2007:3113-3116.

[7]WEI X,WANG P,GAO P,et al.Compact tri-band bandpass flter using open stub loaded trisection λ/4 stepped impedance resonator[J].Microwave and Wireless Components Letters,2014, 24(8):512-514.

[8]WEI X,YuAN S,DING B.Compact tri-band bandpass flter using tri-section stepped impedance resonators[C]//International Workshop on IEEE Microwave and Millimeter Wave Circuits and System Technology.2013:286-288.

[9]GHATAK R,PAL M,SARKAR P,et al.Tri-band bandpass flters using modifed tri-section stepped impedance resonator with improved selectivity and wide upper stopband[J].Institution of Engineering and Technology,2013,7(15):1187-1193.

[10]RusAKOV A,JANKOVIC N,CRNOJEVIC-BENGIN V.A compact tri-band bandpass flter based on grounded tri-mode stepped-impedance stub-loaded resonator[C]//International Conference on Telecommunication in Modern Satellite,Cable and Broadcasting Services.2013:273-276.

[11]HONG J S G,LANCAsTER M J.Microstrip flters for RF/microwave applications[M].New York: John Wiley&Sons,2004:275-293.

[12]ZHANG Y P,SuN M.Dual-band microstrip bandpass flter using stepped-impedance resonators with new coupling schemes[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2006, 54(10):3779-3785.

A novel tri-section SIR dual-band flter with high stopband rejection

JIANG Yifei1,2,MENG Lingqin1,2,YANG Guangli1
(1.Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks,Shanghai University,
Shanghai 200072,China;
2.State Key Laboratory of Millimeter Waves,Southeast University,Nanjing 210096,China)

A dual-band flter with high stopband rejection is designed using a tri-section signal to interference ratio(SIR)resonator.The center frequencies and frst spurious frequencies of resonators can be controlled independently to design aspecifc dual-band flter.The tri-section coupling structure is aimed at transmission zeros and high stopbands rejection.To get a high external quality factor,an inter-digital fnger coupling structure is introduced.The flter has dual passband center frequencies of 1.57 GHz(GPS)and 2.5 GHz(4G),with 3 dB fractional bandwidths of 4.0%and 2.4%,respectively.Measured results well agree with simulations.

tri-section signal to interference ratio(SIR)resonator;tri-section coupling structure;high stopband rejection;transmission zero

TN 713

A

1007-2861(2017)01-0147-08

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.019

2015-02-03

上海市科委重点实验室资助项目(08DZ2231100);上海市重点学科建设资助项目(S30108);毫米波国家重点实验室开放课题经费资助项目(K201324)

孟令琴(1965—),女,副教授,博士,研究方向为微波及毫米波新技术.E-mail:menglq@shu.edu.cn