基于T 型双模谐振器的新型三通带滤波器设计

(上海海事大学信息工程学院,上海 201306)

随着现代无线通信技术的飞速发展,将不同频段的各种通信方式(如全球导航卫星系统、全球移动通信系统、无线局域网、信息管理系统和射频识别等)集成在一个单元中,对微波研究人员来说是一项具有挑战性的工作。对于上述应用,多波段带通滤波器是将不同通信模式集成到一个设备中而不受干扰的不可缺少的元件[1-5]。文献[6]提出的三模SLRs(Stub Loaded Resonators)三频滤波器具有良好的频率带宽,但电路尺寸大与使用多个谐振器的设计相关联是主要缺点。另外,在通带之间只有两个传输零点,滤波器的选择性非常差。文献[7]在Rogers-RO5880TM 衬底上设计并制作了一种基于双模SLRs 的三频滤波器,该滤波器的优点是在通带的两边上激励5 个传输零点,但是电路面积更大。文献[8]建立了一种基于三个单波段滤波器组合在一起使用高温超导材料的新型三频滤波器模型,该滤波器具有良好的插入损耗,所有频带都是独立控制的。但是由于使用了三个单波段滤波器,电路尺寸大大增加。此外,该滤波器包装在一个镀金的盒子里,会大大增加实物制造成本。文献[9]采用多层结构的三频滤波器,该滤波器的频率带宽良好,但插入损耗高,体积大,电路尺寸和多层结构使得制造过程更加复杂。综上所述,设计一种适用于手持式应用的超紧凑、高选择性的小型化三频带通滤波器[10]仍然是微波滤波器设计领域的一个具有挑战性的课题。

本文设计了一种基于T 型双模四分之一波长谐振器的新型三频带通滤波器。第一工作频带由直接馈电谐振器获得,该谐振器与工作在高频段的内部两个谐振器构成源-负载耦合。最外部的谐振器耦合到内部加载的谐振器上,谐振器之间的耦合在每个通带之间产生一对传输零点,从而产生高频选择性。所有谐振器折叠并通过一个普通金属通孔与地面连接,使滤波器总尺寸达到最小。这种设计的主要优点是可以在不改变中心频率的情况下根据期望阻带频率控制所有的传输零点。该设计具有对称结构,因此采用奇偶模分析法对三个工作频段进行了分析。通过软件仿真优化、实物加工测试对该滤波器进行了验证。

1 谐振器分析

图1 为设计的滤波器的T 型双模四分之一波长谐振器结构图[11],其中每个谐振器由两个开路截线和一个短路截线组成,开路截线的特性导纳和长度分别为Y1和L1,短路截线的特性导纳和长度分别为Y2和L2。

由于该设计具有A-A′对称结构[12],因此采用奇偶模分析法[13]对三个可控工作频带进行了预测。第一、第二和第三通带分别通过谐振器“A”、“B”和“C”设计,相应的等效奇偶模电路如图2(a)-(f)所示,而所提出的滤波器拓扑结构如图3 所示。此外,谐振器“A”充当直接馈电谐振器,并为谐振器“B”和“C”提供加载耦合的源。参考微波电路理论[14]可计算谐振器“A”的特征输入导纳的方程,并由式(1)给出。

图1 (a) 等效T 型四分之一波长谐振器结构图;(b) 等效奇模结构图;(c)等效偶模结构图Fig.1 (a) Structure diagram of equivalent T-type quarter-wavelength resonator;(b) Structure diagram of equivalent odd mode;(c) Structure diagram of equivalent even mode

式中:Yin为微带传输线的特征输入导纳;YL为负载导纳;θ=π/2 对应于四分之一波长传输线。通过θ=βL,式(1)可以写成:

式中:β=2π/λg为传播常数,λg为导波波长;L为短路截线的电长度。对于谐振器“A”,第一个偶模输入导纳Yin,even1和谐振频率feven1可以通过短路截线的长度L16来计算。通过YL=α和,式(2)变成:

式中:Yin-shorted为长度为L16的短路截线的输入导纳。将Yin-shorted和Y0=Y1的值放入式(1)中,利用图2(a),得到Yin,even1的方程:

式中:θ1=βL1,θ2=βL2,θ3=βL3,θ4/2=βL4/2,θ16=βL16。在共振Yin,even1=0 时,第一个偶模谐振频率feven1的对应方程为:

式中:c=3×108m/s 为光速;n=1,2,3,…;εeff为介质基板的有效介电常数,由式(6)得出:

式中:εr为相对介电常数;w和h分别为基板材料的宽度和高度。

图2 (a～b)谐振器“A”奇偶模等效电路;(c～d)谐振器“B”奇偶模等效电路;(e～f)谐振器“C”奇偶模等效电路Fig.2 (a-b) Resonator "A" odd-even mode equivalent circuit;(c-d) Resonator "B" odd-even mode equivalent circuit;(e-f)Resonator "C" odd-even mode equivalent circuit

图3 三频带通滤波器拓扑结构图Fig.3 Topological structure diagram of triple-band filter

同样,对于奇模,传输线在对称处短路,因此,通过将Y0=Y1和YL=∞代入式(1)中,并使用图2(b)得到输入导纳Yin,odd1,如式(7)所示:

同理,在共振Yin,odd1=0 时,第一个奇模谐振频率fodd1的对应方程为:

使用相同的方法,谐振器“B”和“C”的奇偶模谐振频率的方程可以借助图2(c)-(f)和式(9)-(13)所示的微波理论方程[15]来计算:

2 滤波器设计

基于上述T 型双模四分之一波长谐振器理论分析,通过HFSS 15.0 仿真设计及优化处理,设计了一款新型三通带滤波器(拓扑结构如图3 所示)。三通带滤波器的尺寸参数大小具体见表1。

基于上述谐振器分析可得,第一频带通过参数L3进行调控,只会改变第一个通带,对其余频带几乎没有影响,如图4(a)所示。第二频带通过谐振器B 获得,调控如图4(b)所示,通过改变参数L6,它只会调低第二通带,而第一和第三频带基本保持不变。第三频带通过谐振器C 控制,通过改变参数L10将只影响第三通带,而几乎不影响其他两个频带,调控如图4(c)所示。从而验证了该滤波器具有独立控制所有频带的能力。

表1 三通带滤波器的尺寸参数Tab.1 Size parameters of the triple-band filter mm

图4 3 个通频带中心频率的调控。(a)f1的调控;(b)f2的调控;(c)f3的调控Fig.4 Regulation of the center frequencies of the three passbands.(a) Regulation of f1;(b) Regulation of f2;(c) Regulation of f3

第二个优点是根据通带两侧的期望阻带频率控制传输零点。如图5 所示,通过改变参数t将只影响传输零点的位置,而不改变基本谐振频率。此特性使所提出的滤波器优于文献[6-9]中报道的其他滤波器。通过以下方法引入六个传输零点,TZ2和TZ4是由对称开路截线之间的电耦合(L3,W1)或间隙G产生,TZ1和TZ5由源-负载耦合产生,TZ6由金属通孔直径产生,TZ3是谐振器的固有传输零点。

3 滤波器的制作与测试

选取相对介电常数εr为2.65,基板厚度H为1.0 mm 的介质基板F4B 对所设计的三通带滤波器进行加工,加工所得实物照片如图6 所示。其中L13、L14和L16为谐振器“A”、“B”和“C”的复用段,滤波器的尺寸为22.0 mm×22.1 mm,相对尺寸为0.10λg×0.10λg,λg是最小通频带中心频率的导波波长。

使用罗德ZNB8 矢量网络分析仪对三通带滤波器实物进行测试,全波电磁仿真结果与实物测试结果分别如图7 和图8 所示,滤波器的插入损耗为S21,回波损耗为S11。

图5 参数t 对传输零点的影响Fig.5 Effect of parameter t on the transmission zeros

图6 三通带滤波器实物图Fig.6 Photograph of the tri-band bandpass filter

图7 仿真结果中,三频带通滤波器的工作频率分别为0.84,1.59,2.63 GHz,-3 dB 相对带宽分别为63.1%(0.45～0.98 GHz),16.4%(1.48～1.74 GHz),6.8%(2.55～2.73 GHz),每个通带的回波损耗都优于20 dB,插入损耗分别为0.07,0.23,0.43 dB。图8实测结果中,三频带通滤波器的工作频率分别为0.84,1.69,2.71 GHz,-3 dB 相对带宽分别为63.1%(0.45～0.98 GHz),16.4%(1.58～1.84 GHz),6.8%(2.63～2.81 GHz),插入损耗分别为1.19,2.07,2.91 dB,测得的每个通带内回波损耗都优于18 dB。由图7 和图8 对比可知,实测结果与仿真结果基本一致,两者之间的差别是由于加工精度导致短路通孔存在一定的偏差和焊接SMA 接头时的制造误差造成的。

图7 所提出三通带滤波器电磁仿真结果Fig.7 Electromagnetic simulation results of the proposed triple-band filter

两个50 Ω 馈线用作输入/输出端口,并连接在滤波器的两侧。通过仿真优化调整参数,分别在1.11,1.22,2.17,2.48,2.80 和2.89 GHz 产生了6 个传输零点,从而提高滤波器的3 dB 衰减性能和阻带性能,在三个通带之间产生高选择性和高隔离度。

表2 列出了该滤波器与一些已发表文献的其他方法设计三频带通滤波器在中心频率、插入损耗、通带可控、传输零点和电路尺寸方面的性能比较。结果表明,该滤波器具有体积小、电学性能好的特点,适用于现代无线多频段通信领域。

图8 所提出三通带滤波器实物测试结果Fig.8 Physical test results of the proposed triple-band filter

表2 与其他文献设计三频带通滤波器性能比较Tab.2 Performance comparison of the triple-band filters with other literatures

4 结论

本文提出并分析了一种基于对称双模四分之一波长谐振器的新型超紧凑三通带滤波器。为了实现三频带响应,采用三个四分之一波长谐振器获得了3 个可控工作频率,所提出的技术引入6 个传输零点,通带两侧传输零点根据期望阻带工作频率可控,从而在三个通带之间产生高选择性和高隔离度。通过对实物进行加工测试,仿真与实测结果基本一致,验证了设计方法。该滤波器的总电路尺寸为22.0 mm×22.1 mm(0.10λg×0.10λg),与50 Ω 馈线无关,满足了小型化和低损耗要求。因此,该三通带滤波器的性能和紧凑的尺寸使其在现有的多频段无线通信应用中具有吸引力和很好的集成潜力。