基于多层技术双通带Chebyshev 滤波器综合设计

柴永强 ,施燕峰 ,宋小伟 ,莫金容 ,胡圣波

(1.贵州师范大学 大数据与计算机科学学院,贵州 贵阳 550001;2.南京邮电大学 电子与光学工程学院,江苏南京 210003)

在物联网技术和5G 通信系统高速发展的今天,对射频前端滤波器性能指标要求越来越高。为了满足日益增长的市场需求,小型化、高选择性、低插损、低成本、高隔离度的双通带滤波器成为了学者研究的热点之一。目前,提出了许多有效的设计方法[1-12]。文献[1-4]利用微带线开路枝节加载T 型或者E 型谐振器,通过奇偶模分析计算奇偶模谐振频率,并通过馈线窄边耦合实现了双通带滤波特性。文献[5-9]采用多模阶梯阻抗平行耦合线谐振器,通过调整合适的阻抗比,把高阶谐振模式组成需要的第二通带,从而构成双通带滤波器。文献[10-12]利用枝节加载环形谐振器,通过开路枝节微扰,把固有的一对简并模式分离,组成第二通带。尽管以上多模或枝节加载谐振器实现了良好的双通带性能,但是由于采用平面结构,设计尺寸偏大,空间利用率不是很高。

针对以上问题,本文采用多层板技术进行设计,在限定的空间内,缩小了平面尺寸,提高了空间利用率。和上述枝节线加载多模谐振器相比,单模谐振器组成的双通带滤波器的中心频率和带宽独立可调,设计灵活性和自由度更高。本文分别利用半波长和四分之一波长谐振器组成上、下通带,采用低通原型综合设计方法,使得通带具有Chebyshev 滤波响应。借助半波长谐振器的交叉耦合和零度馈电耦合结构,生成四个传输零点,显著提升了通带隔离度和截止裙边陡峭度,使得带外抑制具有准椭圆函数滤波响应。

1 结构原理

1.1 原理图结构

本文设计的多层双通带带通滤波器的三维立体结构如图1(a)所示。主要由三部分组成,分别是位于第1,5 层的半波长开环谐振器(R1,R4),位于第2,4层的四分之一波长短路谐振器(R2,R3)和零度馈电耦合结构。

外部激励通过50 Ω 抽头线馈电,谐振器R1-R4平面结构如图1(b)所示。其作用有三:(1)组成上通带;(2)通过宽边耦合对谐振器R2-R3 馈电;(3)通过第3 层地平面上的耦合孔径(如图1(c)所示),形成一条交叉耦合路径,在整个通带两侧形成两个传输零点,以增强带外抑制,提高频选特性。

谐振器R2-R3 由开路和短路两部分组成,通过金属过孔连接。开路端(电场强度最大)和短路端(磁场强度最强)交叉排列有三个功能:(1)构成第2 层和第4 层的混合耦合区域,如图1(d)和(e)中虚线框所示;(2)通过窄边耦合组成下通带;(3)形成零度馈电耦合结构,引入两个传输零点。第一个零点位于下通带右侧,增加上下通带隔离度,降低信号干扰。第二个零点位于下通带左侧,使得截止裙边陡峭滚降。

图1 (a) 三维立体结构;(b) 第1 层平面;(c) 第3 层平面;(d) 第2 层平面;(e) 第4 层平面Fig.1 (a) Three dimensional structure;(b)The first layer plane;(c) The third layer plane;(d)The second layer plane;(e)The fourth layer plane

1.2 拓扑结构及等效电路

双通带带通滤波器拓扑结构,如图2(a)所示,黑色圆代表谐振器,白色圆代表源负载端口,实线表示主耦合路径,虚线表示交叉耦合路径。从源到负载终端,主耦合路径上两路信号传输路径电长度相等,路径差为零,形成零度馈电拓扑结构[13-14]。整个二端口滤波网路等效电路如图2(b)所示,R1-R4 组成上通带,R2-R3 组成下通带,J14代表R1-R4之间的交叉耦合,当输入导纳满足条件Y21,path1234+Y21,path14=0 时,在通带两侧会生成两个传输零点,以增加带外抑制。

图2 (a) 滤波器拓扑结构;(b) 滤波器等效电路Fig.2 (a) Topology of filter;(b) Equivalent circuit of filter

2 Chebyshev 响应综合设计

2.1 上通带综合

设计指标:中心频率f1=3.58 GHz,3 dB 相对带宽γ=10%,通带纹波0.02 dB,带外抑制-20 dB。根据设计指标,查表可得二阶Chebyshev 低通原型元件初值[15]:g0=1,g1=0.552,g2=0.479,g3=1.152。通过计算可得到二阶等纹波Chebyshev 响应滤波器的耦合矩阵M1,外部品质因数Qe1及半波长开环谐振器R1-R4 间的耦合系数K14,具体计算公式如下所示[15]:

组成上通带开环谐振器R1-R4 的外部品质因数Qel只与抽头馈线的位置t有关。随着抽头位置t的增加,提取的上通带外部品质因数Qe1的值逐渐降低,如图3(a)所示。t值越小,抽头线越接近半波长开环谐振器的虚拟地,馈线耦合就越弱,外部品质因数Qe1的值就越高。反之,t值越大,抽头线越远离半波长开环谐振器虚拟地,抽头线耦合就越强,外部品质因数Qe1的值就越低。随着耦合孔径W3增大,谐振器R1-R4的开路端电场耦合强度逐渐增强,提取的耦合系数K14逐步增大,如图3(b)所示。

图3 (a) 外部品质因数Qe1变化曲线;(b) 耦合系数K14变化曲线Fig.3 (a) Variation curve of external quality factor Qe1;(b) Variation curve of coupling coefficient K14

2.2 下通带综合

设计指标:中心频率f2=2.45 GHz,3 dB 相对带宽γ=4%,通带纹波0.01 dB,带外抑制-20 dB。根据设计指标,查表可得二阶Chebyshev 低通原型元件初值[15]:g0=1,g1=0.459,g2=0.415,g3=1.1。通过计算可得二阶等纹波Chebyshev 响应滤波器的耦合矩阵M2,外部品质因数Qe2及四分之一波长短路谐振器R2-R3 间的耦合系数K23,具体计算公式如下所示[15]:

由于三维结构中第1 层的开环谐振器R1 通过宽边耦合给位于第2 层的四分之一波长谐振器R2-R3 馈电,所以抽头线和开环谐振器R1 整体组成了下通带馈电结构。谐振器R2-R3 的外部品质因数Qe2随着谐振器R1-R2 重叠位置t1的增加而逐渐降低,变化曲线如图4(a)所示。重叠部分t1越宽,宽边耦合就越强,外部品质因数Qe2的值就越低。随着耦合间距G增加,谐振器R2-R3 间耦合强度逐渐减弱,耦合系数K23逐渐降低,变化曲线如图4(b)所示。

图4 (a) 外部品质因数Qe2变化曲线;(b) 耦合系数K23变化曲线Fig.4 (a) Variation curve of external quality factor Qe2;(b) Variation curve of coupling coefficient K23

2.3 参数分析

抽头位置t对上通带带宽的影响,如图5(a)所示。随着t的逐渐增加,上通带由欠耦合状态逐步达到匹配状态,上通带带宽逐渐增加,下通带带宽保持不变。混合耦合间隙G对上下通带性能的影响,如图5(b)所示。随着G增加,谐振器R2-R3 间的混合耦合强度逐渐减弱,下通带的两个带内极点逐渐分离,带宽略微变窄,中心频率向低频稍微偏移。同时,由零度馈电结构产生的左侧带外传输零点TZ4 逐渐出现,使下通带的左侧截止裙边愈加陡峭,增强了滤波器的带外选择性。G的增加使得上通带电耦合强度减弱,3 dB 带宽逐渐变窄。

图5 (a) 变量t 对带宽的影响;(b) 变量G 对通带影响Fig.5 (a) The influence of variable t on bandwidth;(b) The influence of variable G on passband performance

3 滤波器性能测试

根据设计指标,对参数进行优化,最终尺寸为:W0=0.763 mm,L0=3 mm,W1=1.2 mm,L1=2.55 mm,L2=12.4 mm,L3=10 mm,t=1.6 mm,g=0.4 mm,r=0.1 mm,G=2.5 mm,W2=0.4 mm,L4=2.8 mm,L5=0.7 mm,W3=2.2 mm,L6=11.5 mm,L7=13 mm,L8=7 mm。本设计采用Rogers 5880 介质基板,相对介电常数为2.2,损耗角正切为0.0009,基板厚度为0.254 mm。加工实物如图6 所示,其有效尺寸为5.5 mm×12.4 mm× 1.65 mm,相当于0.065λg×0.147λg×0.019λg(λg是中心频率为2.4 GHz 的导波波长)。

图6 滤波器实物照片Fig.6 The photograph of proposed filter

采用矢量网络分析仪AV3629A 对设计的双通带滤波器进行S参数测量,测试结果如图7 所示。上通带中心频率为3.55 GHz,3 dB 相对带宽9.3%,带内最小插入损耗为0.65 dB,回波损耗大于18.1 dB。下通带中心频率为2.4 GHz,3 dB 相对带宽为3.75%,带内最小插入损耗为1.02 dB,回波损耗高于15.14 dB。由谐振器R1 和R4 交叉耦合产生两个带外传输零点TZ1 和TZ2,分别位于1.88 和4.4 GHz,使得滤波器的上下通带截止裙边更加陡峭,频率选择特性更好。由零度馈电结构产生的传输零点TZ3 位于3.13 GHz,使得上下通带隔离度高于42.32 dB,有效抑制了上下通带信号干扰,使得滤波器的整体性能更加优越。由零度馈电结构引入的有限频率传输零点TZ4 位于2.32 GHz,使得下通带左侧截止裙边陡峭滚降,实现了带外准椭圆函数滤波响应。

图7 滤波器实测和仿真S 参数对比Fig.7 Comparison of the measured and simulated S parameters of the filter

与其他同类文献进行滤波器性能对比,如表1 所示。本结构具有空间利用率高、结构紧凑、带内插损小、带外截止裙边陡峭、频率选择性能优越等优点。

表1 滤波器性能对比Tab.1 Comparison of the filer performances

4 结论

本文采用低通原型综合方法,设计了双通带Chebyshev 响应带通滤波器。根据设计指标,提取谐振器的外部品质因数和耦合系数,使得物理模型与设计性能相匹配,最终进行优化设计。充分利用多层介质基板的优势,有效提高了滤波器的三维空间利用率,同时还具备拓扑结构简单紧凑、带内插损低、带外截止裙边陡峭滚降、双通带间隔离度高等优点,可广泛应用于通信系统的射频前端。