基于介质环谐振器的集成多频段滤波器的设计

张宏伟 程大军

摘  要： 多频段射频通信采用集成的多频段带通滤波器，该滤波器以环形谐振器为基础，如同心圆介质环形谐振器。通过使用同心环结构构造多频带通滤波器，大大降低了在多频带运行的多滤波器对印刷电路板（PCB）的实际需求。基于同心圆谐振器的多频带通滤波器的各种配置为移动设备的多频带移动设备的布局设计和制造提供了灵活性。这些同心圆谐振器的配置可以包括但不限于槽耦合配置、直接耦合配置和嵌入式直接耦合配置。在封装技术中具有重要作用。

关键词： 多频段滤波器; 带通滤波器; 介质环谐振器; 布局设计; 电路设计; 滤波器设计

中图分类号： TN629.1?34                        文献标识码： A                         文章编号： 1004?373X（2020）01?0024?04

Integrated multi?band filter design based on dielectric ring resonators

ZHANG Hongwei1， CHENG Dajun2

Abstract： An integrated multi?band band?pass filter based on ring resonators like concentric dielectric ring resonators is adopted in the multi?band radio frequency communication. The application of multi?band band?pass filter constructed with concentric ring structure can significantly reduce the actual requirement of the multiple filters operating in multi?band for the printed circuit board （PCB）. Various configurations of the multi?band band?pass filter based on the concentric ring resonator provide flexibility for the layout design and manufacturing of multi?band mobile devices in the mobile equipments. The configurations of these concentric ring resonators include but are not limited to slot?coupling configuration， direct?coupling configuration and embedded direct?coupling configuration. Therefore， it plays an important role in packaging technology.

Keywords： multi?band filter; band?pass filter; dielectric ring resonator; layout design; circuit design; filter design

0  引  言

介质谐振器滤波器由于体积小、重量轻、[Q]值高、成本低、应用方便等优点，在移动通信设备、雷达、导航、微波通信和光通信中得到了广泛的应用。而在激烈竞争的移动通信终端行业中，多模、多频段已是移动终端的必备功能。在多频段设计中，一种常用的架构是采用多个单带通滤波器（或双工器）和开关的组合，以满足多频带共存的无线电工作要求，例如，带外噪声基底和杂散、天线隔离。也就是说，每个工作频带使用不同的单带通滤波器。因此，需要有能够在有限量的空间内服务多个不同频带的多带通滤波器。

本文使用同心介质环谐振器构建多带通滤波器。由于使用多层同心方案，成倍降低了滤波器的尺寸。采用灵活的槽耦合设计、直接耦合设计、嵌入式直接耦合设计等构建多带通滤波器。

1  介质环谐振器的多带通滤波器的设计

介质谐振器滤波器是一种微带结构滤波器。自 1972年，文献[1]第一次提出圆环状的微带双模结构滤波器。此后研究者们提出了很多改进型的双模谐振器，例如，基于三角形形状[2?3]、方环形状[4?6]、梯形环形状[7]等双模微带结构谐振器[8]。文献[8]提到双层微带结构和微带滤波器小型化采用高介电常数的基板材料以及多层技术。

目前的介质谐振器滤波器多采用平面级联或并联形式的设计，占PCB面积大，同心介质环谐振器的多带通滤波器采用多层设计，且环形结构为同心，决定PCB尺寸大小的是最低频率的带通滤波器。单独的带通滤波器变为多通带滤波器而没有额外引入有用信号的插入损耗，降低了BOM成本，满足监管排放要求;介质材料相对介电常数可能非常高，可以实现非常高的[Q]，因此对带外杂散发射/干扰提供高抑制;介质环谐振器的谐振频率是形状依赖的，并且在圆形或椭圆形元件的情况下是尺寸的非线性函数，所以可以极大地抑制所需通带的谐波。

介质谐振器的形状与尺寸同电磁波的波长有关，如图1所示。

[D≈λg0π] （1）

介电常数与电磁波长的关系如下：

[λ2=λ1εr] （2）

式中：[λ2]为电磁波在介质中的波长;[λ1]为电磁波在空气中的波长;[εr]为介质材料的相对介电常数[8]。

在微带滤波器设计中，首先确定介电常数[εr]的PCB板基板材料，谐振器的谐振频率是由谐振腔的长度和基底的介电常数决定的[9]。确定中心频率，由公式[8]：

[λg=cfc×εr] （3）

式中：[λg]为介质中电磁波波长;c为光速。

计算得到谐振器的初步尺寸。初步尺寸确定后，需要根据尺寸、形状再返回计算出实际谐振频率。为简便计算，后续设计采用等效电路法进行计算：

[fi=12πLiCi，    i=1，2，…，n] （4）

式中[n]为谐振器数量。

1.1  介质环谐振器槽耦合的多带通滤波器

为降低滤波器尺寸，应用立体层结构，将3个介质环谐振器同心放置，使他们处于同一几何中心轴上，如图2所示。3个谐振器频率不同，直径不同，不会发生投影重叠现象，对3个谐振器按谐振频率高低命名为高频谐振器、中频谐振器和低频谐振器，低频谐振器直径最大，高频谐振器直径最小。在同心构建中，多频带有用信号可以与相同的共用耦合时隙同时谐振。在立体层结构中，基板上铺地平面，在地平面蚀刻耦合槽，用于将电磁信号与介质环谐振器耦合。通过在接地平面中蚀刻的耦合槽将传输或接收的信号电磁耦合到介质谐振器。电磁耦合机制是跨越槽的电场确保传输线中的RF（Radio Frequency）信号与介质环谐振器元件之间的耦合。传输线微带线和谐振器之间的耦合与频率相关。耦合结构的传输效率=[输出功率传输线的输入功率]。经仿真得出如图3所示的频率响应特性。介质材料的高介电常数使介质谐振器的[Q]因子非常高，将很好地抑制在谐振频率之外的杂散发射或干扰。

采用等效电路法，得出图2的等效电路图，如图4所示。[L0]和[C0]是传输线的等效电感和电容，[L1]和[C1]是介质环谐振器元件的等效电感和电容（低频介质谐振器）;[L2]和[C2]是中频介质环谐振器元件的等效电感和電容;并且[L3]和[C3]是高频介质环谐振器元件的等效电感和电容。对应于带通频率分别是[f1]，[f2]，[f3]，其中[f1]，[f2]和[f3]是有用信号频带的中心频率，且[f1

仿真后得出同一几何中心轴上同心槽耦合介质环谐振器元件的传输线的传输特性，所有介质环在平面投影具有共同圆心，如图5所示。

图5表明，RF信号仅在三个所需频带上传输，插入损耗小于0.3 dB，并且带通外频率衰减大。

将微带传输线线宽做成不均匀的，或改变耦合槽形状为蝴蝶结或其他非矩形，也能进一步改善滤波器的多带通特性的RF性能。

1.2  介质环谐振器直接耦合的多带通滤波器

在构建的立体层结构中，直接将三种谐振频率不同的介质环谐振器同心放置在微带传输线上部，如图6所示。传输线的耦合短截线周围的电磁场将RF信号直接耦合到介质环谐振器元件中。在这种结构中，通过传输的耦合短线激励其附近的电磁场并耦合到具有多个带通性能的谐振器元件中。通过包括匹配短截线或表面安装组件（电容器、电感器）等措施改善阻抗匹配性能来提高传输特性。

1.3  介质环谐振器嵌入式直接耦合多带通滤波器

与1.2节不同，3种谐振频率不同的介质环谐振器在立体层结构中，同心直接嵌入在基板中，微带传输线放置在其上，如图7所示。与1.2节耦合原理一样，通过传输的耦合短线激励其附近的电磁场并耦合到具有多个带通性能的谐振器元件中，但其等效电路中电容和电感参数会有所变化。

为了在所提出的具有介质环谐振器的多带通滤波器的应用中提供布局灵活性，传输线可以是标准微带传输线（如图2，图6，图7所示）、共面波导传输线（传输线共面）、微带状线（传输线独自构成一层），还有其他诸如双传输线耦合等多种结构。

2  大带宽多带通滤波器的设计

上述设计的滤波器虽然可以提供多带通，但每个带通的带宽已不能满足高速率、大带宽的移动通信要求。为了扩展每个带通表征的带宽，可以为一个工作频带布置多个介质环谐振器，形成组介质环谐振器，其中这些介质环谐振器中的每一个具有接近的谐振频率，使多个谐振器在设计频带内具有所需工作带宽的带通特性。然后多个介质环谐振器组构建一个大宽带滤波器，多个不同带宽的滤波器构建成多频段的滤波器群。介质环谐振器组包括低频带L组（[L1]，[L2]，[L3]，[L4]）、中频带[M]组（[M1]，[M2]，[M3]）、高频带[H]组（[H1]，[H2]，[H3]），这些介质环谐振组构建如图8所示的高中低三频段的滤波器结构的横截面。仿真得出多个介质环谐振器的传输特性如图9所示。通过使用多个谐振器元件组，在工作频带（频带[L]，[M]，[H]组）中扩展了多带通滤波器的带宽，接近共振频率。在实际应用中组装这些谐振器元件，填充这些元件之间的间隙可以使用低介质常数的材料。

另外，扩展同心圆介质环形谐振器的工作带宽，还可以通过适当调整耦合区域和谐振器的方向来激发每个谐振器元件的两种模式，如图10所示。

多频扩展带通滤波器

由于采用同心矩形介质环谐振器，每个谐振器元件的基本谐振频率由矩形环形谐振器的一侧控制，谐振元件将通过激发谐振器中的双模态来输出两个基本频率。

3  结  语

与其他结构形式的滤波器相比，多层微带介质谐振器滤波器具有体积小、重量轻、[Q]值高等优点，本文的设计基于模型仿真，在理论计算和实际测试方面留有遗憾。在5G毫米波时代，这种设计思路在封装技术中可大有前途，是多频段滤波器重点发展方向之一。

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[9] 张倍红，周品嘉，王轶文.[λ4]低温超导共面波导谐振器的研究[J].现代电子技术，2014，37（13）：87?89.

作者简介：张宏伟（1972—），男，陕西乾县人，硕士，高级工程师，从事移动通信5G测试技术及仿真技术研究。

程大军（1969—），男，四川成都人，博士，从事移动通信天线设计及仿真技术研究。