加载3 种枝节的小型化宽带带通滤波器

刘新月 ，冯立营 ，马尚刚

（1.天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222；2.天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222；3.天津汇讯视通科技有限公司，天津 300384）

2017 年11 月10 日，工业和信息化部发布了5G系统在3 000～5 000 MHz 频段（中频段）内的频率使用规划，明确了3 300～3 400 MHz（原则上限室内使用）、3 400～3 600 MHz 和 4 800～5 000 MHz 频 段 作 为 5G系统的工作频段[1]。微带滤波器是无线通信中的一种关键无源器件，小型化宽带带通滤波器在5G 频段的发射机和接收机的应用需求也越来越大。双模谐振器[2]可产生2 种谐振模式，因此由其构造的滤波器固有阶数可减少1/2，这样能减小尺寸，使结构紧凑。传统的环形双模带通滤波器经常用于窄带带通滤波器的设计，带宽一般在1%～5%[3-4]。当前双模谐振器以其高选择性、低插入损耗和小型化等优势用于宽带带通滤波器设计的情况逐渐增多[5-8]。文献[9]提出的基于双模环状的滤波器具有低插入损耗、高选择性的优点，但该滤波器的尺寸相对较大。文献[10]提出的具有可调节枝节的宽带双模滤波器在弯曲环形双模带阻滤波器内部加载了枝节，减小了滤波器的面积，但带宽较小。本文研究一种加载3 种枝节的小型化宽带带通滤波器，通过加载电容电感枝节，减小了滤波器的尺寸。在滤波器的输入输出端口正对的位置加载2 个1/4 波长开路枝节时，滤波器呈现出宽通带和高抑制阻带的性能。

1 电容加载双模方形谐振器

图1 给出了在传统方形谐振器中加载电容的谐振器结构。

图1 电容加载双模方形谐振器

该谐振器是在双模方形环状谐振器的4 个外角上分别加载4 个直角开路枝节微带线。外角的枝节微带线的2 条棱相互垂直，分别与方形环的2 条边平行。为了更好地实现谐振器的频率选择性，对外部枝节的4 个角进行切割。这4 个加载枝节微带线采用金属材料，并与地板连在一起，起到了电容的作用，相当于在谐振环的4 个角上分别加了一个电容[11]。电容的加入可以降低谐振器的中心频率，从而实现小型化，还可以提高频率选择性，减少寄生通带。电容加载谐振器等效电路[12]如图2 所示。

图2 中等效电路分为输入和输出端口，形成了V分流电路，分别用上下两部分并联电路表示。图中：Z0为方形谐振器的微带线的特性阻抗；2θ0为每个边长的电长度；CT为方形谐振器外角加载的微带线的电容值。为了便于分析，上下部分并联电路的CT根据对称轴表示为CT/2+CT/2。由于等效电路具有对称性，因此采用奇偶模方法进行分析。

把电容加载谐振器等效电路中的地连接在一起，可得到2 个上下并联的闭合电路。在偶模激励下，对称面A-A′电流值为0，等效为开路。偶模等效电路如图 2（b）所示，输入导纳为

在奇模激励下，对称面A-A′电压值为0，等效为短路，奇模等效电路如图2（c）所示，输入导纳为

当2 条输入输出馈线以正交的形式直接连接到电容加载的微带双模方形谐振器2 个相邻边的中心时，该谐振器具有带阻特性[10]。

图2 电容加载谐振器等效电路

为了测试方便，输入输出采用50 Ω 馈线。该滤波器采用微带介质材料Taconic RF60A，其介电常数为6.15，厚度H 为0.64 mm，经过优化，确定滤波器的尺寸为：L1=7.52 mm，L2= 4.68 mm，W1= 0.93 mm，W2=0.68 mm，W3=0.38 mm。利用仿真软件Ansoft HFSS 对该谐振器的工作性能进行仿真计算，仿真结果如图3所示。从图3 可以看出，该谐振器具有带阻特性，中心频率为5.14 GHz，衰减为-24 dB。

图3 电容加载双模方形谐振器的带阻特性

2 电感电容加载双模方形谐振器

为进一步减小谐振器的尺寸，提高频率选择性，本文设计了电感电容加载双模方形谐振器，如图4 所示。由图1 可以发现方形环内有一些闲置的空间，所以本文在方形环内部加载了4 个三角环枝节。在电容加载的方形环的4 个边的中心分别开1 个口，开口处连接4 个臂，每个臂由1 个开口三角环组成。方形环内部排列的4 个三角环枝节，增加了谐振器的波导波长，降低了谐振频率，从而减小了滤波器的尺寸。输入输出馈线连接到内部的三角环内，因此相比于单独电容加载谐振器，尺寸减小了。在方形环右上角加载一个方形微扰[12]，微扰不仅对简并模式起到激发的作用，而且还可以加宽阻带。利用仿真软件Ansoft HFSS 对电感电容加载双模方形谐振器的工作性能进行仿真计算，仿真结果如图5 所示。

图4 电容电感加载双模谐振器

图5 电容电感加载双模谐振器的带阻特性

从图5 可以看出，在相同尺寸下，基于电感电容加载方形谐振器的带阻滤波器中心频率为3.48 GHz，而基于电容加载方形谐振器的带阻滤波器中心频率为5.14 GHz。因此，电容加载的方形环内加载4 个三角环枝节后，在相同的中心频率下，滤波器的尺寸减小了。

3 加载3 种枝节的双模宽带带通滤波器

3 种枝节加载的双模宽带滤波器如图6 所示。该滤波器基于以上所述的电感电容加载的双模方形环带阻滤波器，在带阻滤波器的输入输出馈线的正对面分别连接第3 种枝节——2 个开路枝节。开路枝节的长度为1/4 λg，其中λg为滤波器中心频率所对应的波长[14-15]。每个开路枝节由2 个相互垂直的微带线连接组成，其中一条微带线垂直连接到方形环内部三角的中心处。经仿真计算L3=10.1 mm，W5=0.2 mm。

图6 3 种枝节加载的双模宽带滤波器

为了确定加载的三角环的尺寸，分析2 个相对三角环顶角之间的距离对滤波器频率响应的影响。L4的大小直接影响三角环的长度，L4越小，三角环的长度越大。图7 为随着L4的变化，滤波器的S21参数频率特性曲线。图7 中虚点相间线、虚线和实线分别为C1=0.8 mm、1 mm、1.2 mm 对应的 S21参数曲线。从图 7 可以看出，随着L4的减小，滤波器的中心频率也会减小。所以L4的大小可以调节滤波器的中心频率。

图7 滤波器不同L4 的仿真频率响应

本文提出的3 种枝节加载的双模宽带滤波器频率响应曲线如图8 所示。该滤波器呈现出带通特性，中心频率为3.48 GHz，该频率在5G 移动通信频段范围可以为5G 频段发射机和接收机提供滤波功能，并可以调整尺寸适用于其他频段。在滤波器中心频率附近的3 dB 带宽为52%，滤波器的插入损耗为0.2 dB，回波损耗最大为-37 dB。在阻带范围存在4 个传输零点，分别在 2.1 GHz、2.55 GHz、4.25 GHz 和 4.8 GHz处，衰减分别为 -35 dB、-30 dB、-30 dB 和-40 dB，对阻带有很强的抑制作用[16]。实物滤波器的尺寸为9.78 mm×9.78 mm，换算成中心频率3.48 GHz 的电尺寸为（0.236 × 0.236）λg2，其中 λg为 50 Ω 微带线在中心频率处的波导波长。

图8 加载3 种枝节的双模宽带滤波器频率响应曲线

4 结 语

本文设计了一种加载3 种枝节的小型化双模宽带带通滤波器，该滤波器方形环外角加载的4 个开路枝节增加了滤波器的电容，内部加载的短路三角环增加了滤波器的电感，当输入输出馈线以正交的形式直接连接到相邻的两边上时，滤波器呈现带阻特性。在带阻滤波器的输入输出馈线的正对面分别连接2 个长度为1/4 λg开路枝节，滤波器实现了宽带设计。电容和电感的加载实现了滤波器的小型化和高选择性能，调节内部相对三角环顶角之间的距离，可以改变滤波器的中心频率。