多传输零点的新型五通带多模滤波器

庞豆豆，熊 阳，何 明,2，季 鲁，张金利



多传输零点的新型五通带多模滤波器

庞豆豆1，熊 阳1，何 明1,2，季 鲁1，张金利1

（1. 南开大学 电子信息与光学工程学院，天津 300350；2. 天津市光电传感器与传感网络技术重点实验室，天津 300350）

针对目前多模滤波器通带数量以及通带选择性有待提高的问题，提出一款新型的基于枝节加载谐振器的五通带多模滤波器。该滤波器采用了一种新型的馈电和耦合方式，可以独立控制外部品质因数和控制多数通带的耦合系数。该滤波器不需要过孔，制作简单。由于源-负载之间的耦合以及多径传输效应的影响，产生了多个传输零点，提高了通带的选择性。进行了滤波器的设计，制作和测试，测试结果与仿真结果吻合，滤波器的五个中心频率位于1.6，3，3.8，4.7，5.7 GHz，其相对带宽分别为12.5%，11.7%，5.48%，8.51%，4.37%。

五通带微波滤波器；多模滤波器；多传输零点；多径传输；枝节加载谐振器；可控外部品质因数

在现代多功能无线通信系统中，多通带微波滤波器是一个重要的部分，而多模多通带微波滤波器的设计是实现滤波器小型化设计的关键技术。目前已经有很多双通带和三通带多模滤波器的报道，但是关于五通带及以上的多模滤波器的报道非常少，性能也需要进一步改善。利用微带线设计多通带滤波器的方法有以下几种：1. 并联多个单通带滤波器来构成多通带滤波器[1-3]，这种方法可以达到相对较高的通带数量，其缺点在于占用体积过大；2. 利用多层介质结构来设计多通带滤波器[4-5]，这种方法设计简单，但是因为多层的介质导致结构复杂，对制作工艺有很高的要求；3. 利用多模谐振器来设计多通带微波滤波器[6-12]，这种滤波器通常采用枝节加载和阶跃阻抗谐振器来设计，拥有相对较小的尺寸，但是性能需要进一步提高，而且通常需要采用过孔，这给滤波器的制作增加了困难。

针对以上问题，本文提出了一款基于枝节加载谐振器的新型无过孔多模滤波器，这款滤波器包括两个对称放置的谐振器，每个谐振器由加载了三个枝节的半波长谐振器构成，文中提出了一种新型的馈电方法和耦合方式，可以独立控制五个通带的外部品质因数，通带的耦合系数可以调节。由于源-负载之间的耦合以及多径传输效应，多个传输零点形成于通带周围，零点的位置可以通过改变源和负载之间的耦合强度来调节。对滤波器进行了设计、仿真、制作和测试，测试结果证明了该滤波器的可行性。

1 滤波器分析与设计

1.1 谐振频率

本文提出的五通带滤波器的版图如图1(a)所示，滤波器主要包括两个对称放置的枝节加载谐振器，馈线源-负载耦合的引入是为了增加传输零点的个数，图中包括了滤波器的长度和间距参量。图1(b)所示为提出的多模谐振器的结构，这是一个均匀阻抗谐振器。谐振器的理想模型如图1(c)所示，为了分析简化，所有的特征阻抗都由0表示，也就是1=2=3=4=5=6=7=0，相应的特征导纳为0=1/0。

图1 (a)五通带滤波器版图；(b)谐振器结构图；(c)谐振器的理想模型

谐振频率由谐振条件m(in)=0决定，这里in是从图1(c)中所示处看进去的输入导纳。谐振频率的计算如下所示：

（2）

（3）

式中：θ(= 1, 2, …, 7)表示谐振器对应枝节的电长度。由如上所示的式(1)~(3)可以得出输入导纳in。

图2(a)所示为输入导纳的虚部m(in)随频率的变化曲线，根据谐振条件m(in)=0可以观察到五个谐振频率，也就是p1，p2，p3，p4，p5，如图2(a)所示。为了研究谐振频率和枝节长度的关系，绘制了五幅曲线图，如图2(b)，(c)，(d)，(e)和(f)所示。整体来看，可以看到6主要影响第四个谐振频率p4，但是对其他四个谐振频率几乎没有影响；7主要影响第四个谐振频率p4和第二个谐振频率p2；4主要影响谐振频率p4，p3和p2；2主要影响谐振频率p5，p3和p2；1对p5，p3，p2和p1都有影响，但是对p4没有影响。这样通过调节枝节长度，五个谐振频率可以得到控制。经过优化，谐振器的最终尺寸分别为1= 80.5°，2= 18.67°，3= 26.04°，4= 32°，5=17.26°，6= 24.16°，7= 38.75°。

1.2 外部品质因数和耦合系数

滤波器带宽取决于外部品质因数和耦合系数，其中外部品质因数取决于馈线和谐振器之间的耦合，耦合系数取决于谐振器之间的耦合。对本文提出的滤波器来说，外部品质因数由15个参数决定，分别是馈线和谐振器间距1，2，3，4，5，6，7，8，9，10以及馈线与谐振器之间的耦合长度8，9，10，11，12；通带内耦合系数由1，2，3，4决定。五个通带的外部品质因数由不同的参数控制，是独立可控的。为了证明这一点，作者采用参考文献[1]中的方法，利用单端口群时延提取了五个通带的外部品质因数，结果如图3所示。为简化分析过程，只选取了部分代表性的参数。

图2 (a) Im(Yin)随频率的变化和五个谐振频率fp1, fp2, fp3, fp4和fp5随电长度(b) θ1, (c) θ2,(d) θ4,(e) θ6,(f) θ7的变化

图3 外部品质因数随(a)g1, (b)g7, (c)g10, (d)L9, (e)L11的变化

从图3所示的外部品质因数随不同参数的变化曲线图可以看出，第一通带的外部品质因数主要受1和10的影响；而10和11影响第二通带；1，10，9和11影响第三通带；7和10影响第四通带；1，9和11影响第五通带。五个通带的外部品质因数分别由不同的参数决定，因此是独立可控的。通过合理地调节馈线和谐振器之间的耦合，就可以控制五个通带的外部品质因数，得到需要的值。

为了提高五个通带耦合调节自由度，谐振器之间的耦合区域根据信号传输路径被分成了四个区域。通过调节谐振器之间的四个耦合间距可以改变通带内的耦合系数，得到合适的值。为了说明这一点，进行了仿真，结果如图4所示。五个通带的耦合系数由1,2,3,4控制。为了保证通带内的良好性能，四个间距的变化范围经过了合理的选取。四个耦合间距的原始值设置为1=0.8 mm,2=0.7 mm,3=0.5 mm,4=0.3 mm，当一个参数变化时，另外的参数保持不变。如图4(a), 4(b), 4(c)和4(d)所示，第五通带的带宽主要由1控制，第四通带的带宽主要由4决定，与此同时，2对第一、三、五通带都有影响，3对第二、三、四通带都有影响，这说明提出的耦合方式能有效调节五个通带的带内耦合，从而得到需要的带宽。

图4 仿真结果S21随(a)s1,(b)s2,(c)s3,(d)s4,(e)s5的变化

由于源和负载耦合的引入以及多径传输效应的影响，可以得到十个传输零点，如图4(e)所示。源和负载之间的耦合强度对传输零点的位置有显著的影响，为了说明这种影响，在图4(e)中绘制了插入损耗21与源-负载耦合强度关系的曲线图。从图中可以看出，随着5的变小，即源-负载耦合强度增大，十个传输零点的位置分别向与之相邻的通带靠拢，使通带选择性增强。综合考虑到通带选择性和通带间隔离度，最终的耦合间距5被定为0.1 mm。

2 滤波器制作与测试

为了验证滤波器的可行性，进行了滤波器的制作和测试。滤波器采用Rogers4003C作为基板，基板厚度0.508 mm，相对介电常数3.55，损耗角正切0.0027。经过仿真优化，设计的五通带多模滤波器最终的尺寸（单位：mm）为：1=0.1，2=0.1，3=1，4=0.4，5=0.6，6=0.4，7=0.3，8=0.1，9=0.1，10=0.1，1=0.8，2=0.7，3=0.5，4=0.3，5=0.1，1=25.65，2=5.95，3=8.3，4=10.2，5=5.5，6=7.7，7=12.35，8=9.1，9=2.4，10=4.9，11=3.1，12=1.6，13=7.9，14=2.75，15=80.6，1=0.7，2=0.7，这里15是馈线的总长度。滤波器的尺寸为28 mm×37.6 mm，或者0.248g×0.332g，这里g是1.6 GHz处的被导波波长。本文滤波器由全波仿真软件HFSS 13.0进行仿真，并利用安捷伦矢量网络分析仪E5071C进行测量，仿真和测试结果对比图以及滤波器的实物图如图5所示。

测得的五个中心频率分别位于1.6，3，3.8，4.7，5.7 GHz，相对带宽分别为12.5%，11.7%，5.48%，8.51%，4.37%；五个通带的插入损耗分别为1.3，1.7，3.1，3.2，4.9 dB，所有通带的回波损耗都优于22 dB，可以明显观察到位于1.2，1.8，2.5，3.2，3.7，4，4.3，5.2，5.6和6 GHz的十个传输零点，仿真和实物测试之间的差别主要是由导体损耗和制作误差造成。表1将本工作与之前的多通带滤波器进行了比较，表中CFs、TZs、RL和IL分别表示中心频率、传输零点个数、回波损耗和插入损耗，从表中可以得出，本文提出的滤波器具有多传输零点和无过孔、制作简单的优点。

(a) 仿真与测量结果 (b) 实物

表1 本工作与已有工作对比

Tab.1 Comparison with prior work

3 结论

提出了一款新型的无过孔的五通带多模滤波器。该滤波器由两个对称放置的枝节加载滤波器构成，通过合适的馈电结构，可以激发多个谐振模式来形成所需要的通带；该滤波器具有独立可控的外部品质因数以及可控的耦合系数，由于源-负载之间的耦合以及多径传输效应的影响，可以形成多对传输零点，使通带选择性得到加强；采用多模谐振器，相比于传统单模设计方式，大大减小了滤波器体积。本文对提出的滤波器进行了分析、设计、仿真、制作和测试，结果证明了该滤波器的优越性能。

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（编辑：陈渝生）

New quint-band multimode filter with multiple transmission zeros

PANG Doudou1, XIONG Yang1, HE Ming1, 2, JI Lu1, ZHANG Jinli1

(1. College of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China; 2. Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Sensor and Sensing Network Technology, Tianjin 300350, China)

In order to increase the number of channels and improve passbands selectivity of multi-mode filter, a new quint-band multimode filter based on stub-loaded resonators was presented. A new type of feeding and coupling structure was employed in this filter, which could individually control external quality factors and couplings of several passbands. The filter possessed the merits of no via holes and easy fabrication. Because of the introduction of source-load coupling and multi-path transmission effect, multiple transmission zeros could be generated, and the selectivity was raised. The filter was designed, fabricated and measured, and the experimental results fit the simulated results well. The center frequencies of the filter are located at 1.6, 3, 3.8, 4.7 and 5.7 GHz, with the relative bandwidths of 12.5%, 11.7%, 5.48%, 8.51% and 4.37%.

quint-band microwave filter; multimode filter; multiple transmission zeros; multipath transmission; stub loaded resonator; controllable external quality factors

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.10.012

TN304

A

1001-2028（2017）10-0067-06

2017-08-30

何明

天津市应用基础与前沿技术研究计划资助项目（No. 15JCQNJC01300）

何明（1975－），男，湖南衡阳人，教授，研究方向为微波射频通信，超导约瑟夫森结器件等，E-mail: heming@nankai.edu.cn ；庞豆豆（1993－），女，湖北天门人，研究生，研究方向为微波器件与超导电子学，E-mail: pangdd@mail.nankai.edu.cn 。

2017-09-27 10:59

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170927.1059.012.html