基于开路短路短截线的紧凑型三通带滤波器设计

2021-04-28

电子元件与材料 2021年4期

(上海海事大学信息工程学院,上海 201306)

近年来,多波段微波滤波器在无线通信系统、军事和民用领域得到了广泛的应用,并肩负着选频的重要使命。随着现代无线通信系统的飞速发展,频谱资源越来越拥挤,单波段带通滤波器已不能满足精确频谱划分的要求,因此多波段带通滤波器日益成为科研和探索的热点[1-5]。文献[6]提出了采用三模SLRs(Stub Loaded Resonators)的三频滤波器。所提出的滤波器具有良好的相对带宽,但其电路尺寸较大;此外,在通带之间只有两个传输零点,具有较差的选择性能。文献[7]提出了一种使用高温超导材料的新型三频滤波器模型,由三个单波段滤波器组合在一起。该滤波器插入损耗小,可独立控制所有频段,但电路尺寸较大。此外,该滤波器的包装盒子为镀金材质,制造成本会增加。文献[8]提出了一种基于短截线加载阶跃阻抗谐振器SIR(Stepped Impedance Resonator)的三频滤波器,0°馈源结构用于每个通带的通带边缘附近提供至少一个传输零点,从而产生高选择性,但电路尺寸较大,不易于制造。文献[9]使用短截线加载谐振器SLR(Stub Loaded Resonator)和缺陷地结构DGS(Defected Ground Structure) 谐振器的三频滤波器,DGS 谐振器构成第一道通带,SLR 形成第二和第三通带,在滤波器的对称平面通过通孔技术进行磁耦合,插入损耗较大。以上文献中提出的三频滤波器结构都复杂,如何设计一个相邻通带闭合、插入损耗低、体积小、通带选择性能好的多通带滤波器仍是电路设计人员面临的一个挑战。

本文基于开路短路短截线理论,通过在微带传输线上加载一对短路短截线和三对开路短截线设计了一种具有带宽可控的紧凑型三通带滤波器。该滤波器由两个二阶和一个三阶带通滤波器组成,且在不增加电路尺寸的情况下,获得三频带特性。同时,还具有尺寸紧凑和结构简单的优点。此外,由于没有采用耦合结构,所以可以在每个通带中获得低插入损耗,并通过仿真软件进行验证。

1 滤波器理论及分析

三通带滤波器的理想传输线模型如图1 所示。Z1为短截线的特征阻抗,Z2为传输线的特征阻抗,θa为短路短截线的电长度,θd,θg,θh为开路短截线的电长度。该滤波器由两个二阶带通滤波器和一个三阶带通滤波器组成。

图1 三通带滤波器的理想传输线模型Fig.1 Ideal transmission line model of the triple-band filter

1.1 二阶带通滤波器

图2 所示的二阶带通滤波器的理想传输线模型1 控制第一通带中心频率f1,由两个电长度为θa的短路短截线和两个电长度为θd的开路短截线所组成。短截线和传输线的特性阻抗用Z1和Z2表示。当开路短截线、短路短截线和它们之间的连接线的总电长度为四分之一波长时(θa+θb+θc+θd=90°),组合传输线可以等效为并联谐振电路。此外,当开路短截线之间的连接线的电长度为四分之一波长时,该连接线可被视为导纳逆变器。因此图2 中结构的等效电路是二阶带通滤波器。

图2 二阶带通滤波器的理想传输线模型1Fig.2 Ideal transmission line model 1 of the second-order bandpass filter

图3 所示的二阶带通滤波器的理想传输线模型2控制第三通带中心频率f3,由两个开路短截线(Z1,θh)和两个开路短截线(Z1,θg)组成。当两条电长度为θg的开路短截线和它们之间的连接线的总电长度为四分之一波长时(θh+θc+θe+θg=90°),组合传输线也可以等效为并联谐振电路。当两条电长度为θg的开路短截线之间的连接线的电长度为四分之一波长时,连接线可作为导纳逆变器。所以图3 中结构的等效电路也是二阶带通滤波器。

图3 二阶带通滤波器的理想传输线模型2Fig.3 Ideal transmission line model 2 of the second-order bandpass filter

根据文献[13],集总元件值、逆变器导纳值以及短截线和连接线的特性阻抗之间的关系可以描述为:

式中:gn(n=0,1,2,3)为二阶低通滤波器原型的元件值;Z0为终端阻抗;ω0和Δ分别为带通滤波器的中心角频率和相对带宽。导纳逆变器等效于谐振器之间的耦合元件,其值可由式(2)～(4)导出。

如图2 和图3 所示,抽头线耦合结构用于给四分之一波长谐振器馈电。耦合强度由馈电点的位置决定。其中图2 所示的二阶带通滤波器控制第一通带,中心频率为2.25 GHz,图3 所示的二阶带通滤波器控制第三通带,中心频率为6.23 GHz,同时观察到开路短截线(Z1,θd)产生传输零点。

1.2 三阶带通滤波器

如图3 所示,另一个单波段带通滤波器由一条传输线和四个开路短截线组成。较长的开路短截线和较短的开路短截线的电长度分别用θd和θg表示。根据文献[14],当开路短截线和它们之间的连接线θe的总电长度等于半波长(θe+θd+θg=180°)时,该组合线可以等效为一个并联谐振电路。当两条较长的开路短截线之间的连接线的电长度为半波长,它可以作为串联谐振电路。因此,图4 中结构的等效电路是典型的三阶带通滤波器。

图4 三阶带通滤波器的理想传输线模型Fig.4 Ideal transmission line model of the third-order bandpass filter

在文献[15]的基础上,得到了集中元件值与谐振器阻抗之间的关系。

式中:g1和g2为三阶低通滤波器原型的元件值;Z0为终端阻抗。根据式(5)～(8),可从带通滤波器的带宽推导出短截线和连接线的特征阻抗。

此三阶带通滤波器控制第二通带,中心频率为4.2 GHz,同时保持较短的开路短截线和较长短截线之间的连接线的电长度可以获得更好的结构特性,在较长的开路短截线(Z1,θd)上产生传输零点。

1.3 三通带滤波器

将1.1 节和1.2 节中所设计的二阶和三阶带通滤波器结合起来,可以得到一个三频带通滤波器,图2二阶带通滤波器用于实现第一通带f1,图4 三阶带通滤波器用于实现第二通带f2,而图3 二阶带通滤波器用于实现第三通带f3,当f3约为f1的三倍,f2约为f1的两倍时,三个单带通滤波器可以共用同一连接传输线(Z2,θf)。

为了减少三个单带通滤波器之间的相互影响,应合理设计短截线的电长度。为了将开路短截线(Z1,θd)产生的传输零点置于通带的中点,电长度θd应选择为(f1+f2)/2处的四分之一波长。短路短截线的电长度θa应选择在f2处约四分之一波长处,因此,短路短截线的输入阻抗在f2处接近开路,此时短路短截线对第二通带造成的加载影响可以忽略不计。同样,选择合适的开路短截线的电长度θg对第一通带产生不显著的影响,较短的开路短截线的电长度θh应尽可能小,这样对第二通带也不会产生明显的影响。通过合理选择短截线和连接线的阻抗和电长度,可以得到中心频率分别为2.25,4.2,6.23 GHz 的三频带通滤波器。无损传输线电路的模拟由HFSS 15.0 仿真软件进行,模拟的三频滤波器和单频带滤波器的S参数如图5 所示,结果表明三频滤波器的每个通带均与相应的单频带滤波器的通带基本一致,符合要求。

2 滤波器设计及分析

为了验证所提出的设计方法,设计了一款以2.25,4.2,6.23 GHz 为中心频率的三通带滤波器,选取相对介电常数εr为2.65,厚度H为1.0 mm 的介质基板进行仿真。三通带滤波器的拓扑结构图如图6所示。开路短截线和微带线都是为了小型化而弯曲的,连接微带线和接地层的通孔用半径为D的圆表示。经过HFSS 15.0 仿真优化处理,滤波器的具体尺寸为:L1=8.1 mm,L2=1.1 mm,L3=1.8 mm,L4=4.2 mm,L5=8.5 mm,L6=4.9 mm,L7=5.7 mm,L8=5.1 mm,L9=6.68 mm,L10=6 mm,L11=2 mm,L12=1.9 mm,W1=2.8 mm,W2=1 mm,W3=0.9 mm,D=0.5 mm。滤波器的电路尺寸为24.8 mm ×17.2 mm,相对尺寸为0.28λg×0.20λg,其中λg为最小通带中心频率所对应的导波波长。

图5 三频带通滤波器中(a)二阶滤波器f1,(b)三阶滤波器f2和(c)二阶滤波器f3的S 参数仿真曲线Fig.5 S-parameters simulation curves of (a)the second-order filter f1,(b)the third-order filter f2and (c)the second-order filter f3in the tri-band bandpass filter

基于上述滤波器分析可知,第一频带通过图2 所示的二阶带通滤波器产生,如图7(a)所示,第一个通带的带宽通过参数L6进行调控,只会改变第一个通带的带宽,并且它对其余通带没有任何影响。第二频带通过图4 所示的三阶带通滤波器获得,调控如图7(b)所示,可以观察到通过调节参数L11,它只会调整第二通带的带宽,而第一和第三通带带宽基本保持不变。第三频带通过图3 所示的二阶带通滤波器控制,通过改变参数L12将仅影响第三通带而不影响其他两个频带的带宽,调控如图7(c)所示。可以看出该滤波器能够独立控制所有频带的带宽。

图6 三频带通滤波器拓扑结构图Fig.6 Topological structure diagram of triple-band filter

图7 三个通带带宽的调控。(a)第一带宽的调控;(b)第二带宽的调控;(c)第三带宽的调控Fig.7 Regulation of the bandwidths of the three passbands.(a) Regulation of the first bandwidth;(b) Regulation of the second bandwidth;(c) Regulation of the third bandwidth

图8 为滤波器的仿真结果。与图5 中的仿真结果相比,在全波电磁仿真中,第一和第二通带之间的两个传输零点由较长的开路短截线(电长度为θd)产生。仿真结果表明,该滤波器的中心频率分别为2.25,4.2,6.23 GHz,-3 dB 相对带宽分别为54%(1.55～2.76 GHz),8%(4.09～4.41 GHz)和7%(5.98～6.40 GHz),通带内回波损耗S11都优于12 dB,最小插入损耗S21优于-0.3 dB。三个通带传输极点分别有2 个,1 个,2 个。

表1 列出了该滤波器与其他方法设计三频带通滤波器的性能进行比较。表1 清楚地表明本文所提出的滤波器在无线多频段通信领域中具有紧凑的尺寸和良好的电性能优势,并且可实现带宽可控的滤波特性。

3 结论

本文设计了一种基于加载开路短路短截线的三通带滤波器。在不增加电路尺寸的情况下,通过组合三个单频带带通滤波器获得三频带特性,并且每个通带的带宽都可以通过调节相应短截线的长度来控制。设计的滤波器的总电路尺寸为24.8 mm×17.2 mm(0.28λg×0.20λg),满足小型化要求。该滤波器具有损耗低、带宽可控、体积小、结构简单的优点,适用于多频段无线通信系统。