新型微扰结构双模贴片带通滤波器设计

曾令鹏

(南京晓庄学院 电子工程学院，江苏 南京 211171)

0 引言

微波滤波器在各类通信系统中有着广泛的应用[1]。随着5G技术的发展，移动通信的工作频率越来越往高频段方向发展[2-3]。在通信系统的射频前端，无论是接收电路，还是发射电路[4]，滤波器都是必不可少的一个环节。在种类众多的微波滤波器中，微带滤波器由于具有加工方便、成本较低、易于和电路板集成等优点，应用非常广泛。

最早由Wolff[5]于1972年提出在微带结构中引入双模滤波器的设计思路。他提出的设计方法使一个环形谐振器激发起2个简并模式。由于在一个谐振器中获得了2个简并模式，可以等效为2个谐振电路，所以通过这类设计方法得到的双模滤波器，阶数可以比传统滤波器减少一半，从而在体积上可以大大减小。正因为双模滤波器具有这样的优点，这些年来也得到了大量的研究[6-7]。

目前，常见的微带形式双模滤波器主要由环形[8]和贴片形谐振器构成。文献[9]分析了三角形贴片谐振器的工作特性，利用三角形贴片结构设计了双模滤波器。文献[10]提出了一款方形贴片的双模滤波器，通过在馈线上引入开路短截线的结构，有效地抑制了寄生通带。文献[11]在环形谐振器的基础上，利用开路枝节进行调谐，构成了宽频带的双模带通滤波器。近年来，也有针对双模双通带滤波器的研究[12-13]。

基于微带滤波器小型化、集成化的趋势[14]，本文利用方形贴片微带谐振器的结构，通过设计一款新型的微扰单元，构成一种双模带通滤波器。该滤波器采用直接耦合的馈电方式，结构复杂度较低，有利于滤波器的加工制作。通过仿真软件分析了微扰单元对滤波器性能的影响，所设计滤波器的中心频率位于3.32 GHz处，在通带两侧各有一个带外传输零点，提高了带通滤波器的频率选择性。

1 方形贴片谐振器的分析

本文所设计的滤波器采用了方形贴片结构的谐振器。方形微带贴片谐振器的结构如图1所示，谐振器的顶部和底部由金属覆盖。

图1 贴片谐振器的结构Fig.1 Structure diagram of patch resonator

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Amn为电场幅值；ω为角频率；a为贴片谐振腔的有效长度；εeff为介质基板的有效介电常数。

从方形贴片谐振腔内的电磁场表达式可以看出，腔内相互正交的2个简并主模为TM100和TM010。根据微波腔模理论，可以得到谐振频率为：

(5)

对于这一对简并主模而言，其谐振频率为：

(6)

式中，μ为介质基板的相对磁导率。

2 双模滤波器的设计

2.1 双模滤波器的结构

设计的贴片双模滤波器的结构如图2所示。该滤波器主要由方形贴片谐振器和方环微扰结构组成。图2(a)为滤波器的顶层结构，其中灰色部分为方形金属贴片和微带馈线，在贴片内部白色部分为蚀刻的方环微扰单元。方环微扰单元的中心与贴片中心的距离为d，2个中心点的连线与水平方向呈45°。为了减小插入损耗，该滤波器采用了直接馈电的方式。输入、输出端口之间呈90°正交关系，并且位于正方形贴片两边的中点位置。

滤波器的方环微扰单元如图2(b)所示。该结构是一个边长为L4、宽度为W2的方形环，环的一边切开了长度为G1的缝隙。将该环作为缝隙的形状，放入方形贴片谐振器中，可以成为一个合适的双模滤波器微扰单元，从而使图2(a)的结构可以构成一个双模滤波器。

(a)顶层结构

滤波器设计在大小为36 mm×36 mm的正方形介质基板上，介质板的厚度为0.508 mm，介电常数为3.38。介质基板的另一面为接地金属面，其大小也为36 mm×36 mm。根据图2中双模滤波器的结构给出滤波器的相关尺寸参数，如表1所示。

表1 滤波器的尺寸参数

2.2 谐振器的模式分析

根据贴片谐振器的结构，可以大致画出其表面电场分布图。通过仿真软件，描绘出缝隙微扰下的矩形贴片谐振器的电场分布如图3所示。

(a) 模式1(3.22 GHz)

由微带贴片谐振器的表面电场可知，模式1和模式2的表面电场相互正交。通过引入新型的缝隙微扰结构，可以将简并模式进行分离，从而得到电场相互正交的2个模式。

2.3 方环微扰单元对滤波器的影响

在仿真软件中调整方形微扰单元的尺寸，可以得到滤波器的S11曲线，如图4所示。从图中可以看出，当方形微扰单元的尺寸L4较小时，产生的微扰效果并不明显，不能使简并模式明显分离。当微扰单元的尺寸为5 mm时，可以使滤波器在中心通带处表现出较好的性能，且能看到明显的双模特性。当微扰单元的尺寸进一步增大时，微扰单元会使2个模式的谐振频率逐渐拉大，虽然带宽有一定的提高，但是通带内的匹配情况变差。因此，需要将微扰单元选定在一个合理的尺寸上。

图4 微扰单元尺寸对滤波器的影响Fig.4 Effect of perturbation element sizes on filter performance

当确定了微扰单元的大小以后，改变该结构与方形贴片中心的距离d，可以得到如图5所示的一组S11，S21曲线。由图5的仿真结果可知，微扰单元的位置对于滤波器的性能也起到了一定的影响，但是影响的情况并不如图4中尺寸的变化那样明显。从图5(a)可以看出，随着微扰单元与贴片中心距离d逐渐增大，2个简并模式逐渐分离开来，当距离为5 mm左右时，可以表现出较好的双模滤波特性。观察图5(b)可知，距离d对于滤波器的通带和带外传输零点也会有一定影响。通过选择合适的位置，可以使双模滤波器的通带内插入损耗达到最小值，使带外的传输零点衰减较大，从而提高双模滤波器的选择性。

随着微扰单元与方形贴片中心的距离d的变化，2个谐振模式的耦合系数也会发生变化。通过仿真软件的计算可以发现，随着距离的增大，耦合系数有增大的趋势。这也说明了随着距离d的增大，2个谐振模式的频率会逐渐拉开，形成双模滤波器的特性。

在仿真软件中调整方形微扰单元的缝隙G1的大小可以发现，微扰单元的缝隙G1的改变，也会引起滤波器特性的变化。缝隙大小的变化对性能影响并不显著，但是依旧可以通过调节缝隙的大小，使双模滤波器获得一个较好的性能。

(a) S11仿真结果

3 双模滤波器的制作与测量

对影响双模滤波器性能的参数讨论和分析后，可以得到微扰单元的合理尺寸和位置。再进一步优化滤波器馈线的匹配特性，得到合适的滤波器尺寸结构。在对滤波器的尺寸结构优化以后，得到最终结构尺寸为d=5.5 mm，G1=0.5 mm，L1=22 mm，L2=7 mm，L3=10.45 mm，L4=5 mm，W1=1.1 mm，W2=0.5 mm。对该滤波器进行了加工制作，其实物如图6所示。使用矢量网络分析仪对其S11和S21参数进行了测量，测量结果和仿真结果如图7所示。

从测量结果看，该双模带通滤波器的3 dB带宽为230 MHz，中心工作频率在3.32 GHz，相对带宽为6.9%，通带内插入损耗小于1.35 dB。在通带的两侧各有一个传输零点，其位置分别在2.91，3.84 GHz，2个传输零点的衰减均大于40 dB，有较好的带外抑制特性。对比图7中2组曲线可以看出，仿真结果与测量结果基本一致。

图6 双模滤波器实物Fig.6 Real product pictures of dual-mode filter

图7 双模滤波器的仿真与测试曲线Fig.7 Simulated and tested curves of dual-mode filter

4 结束语

本文提出了一种方环形缝隙微扰的双模带通滤波器，研究了该微扰结构下的谐振器电场分布，通过仿真软件HFSS分析了微扰结构的形状、位置、尺寸对方形贴片双模滤波器的影响。在此基础上对滤波器的结构进行了优化，并对滤波器进行了实物加工和测量。该双模带通滤波器尺寸较小，具有微带平面结构，易于与各种平面电路集成，可以应用于S波段的通信系统中，具有较高的实用价值。