基于耦合谐振器的五通带带通滤波器设计

郭子玥 ,何 明, ,郭 蓉 ,夏丹蕾 ,贾颖新

(1.南开大学 电子信息与光学工程学院,天津 300350;2.天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室,天津 300350;3.中国科学院空天信息创新研究院,北京 100190)

随着通信技术的高速发展,越来越多的通信设备需要满足多通信系统的工作需求。因此,能够同时在多频段信号下工作的多通带滤波器必不可少。目前已经有很多关于双通带[1-5]、三通带[5-9]及四通带[10]微带滤波器的报道,但是关于五通带及以上的多通带滤波器非常少。Liu 等[11]使用枝节加载的阶跃阻抗谐振器进行五通带设计,滤波器尺寸较小,但通带选择性有待改善;Zhou 等[12]采用多层介质进行五通带滤波器设计,滤波器具有八个传输零点,但在设计和制作上复杂度较高。

一般来说,利用微带线设计多通带滤波器的方法有如下几种: 一是利用多模谐振器的多个谐振模式形成相应传输通带。这种滤波器通常采用阶跃阻抗谐振器或枝节加载谐振器进行设计,具有结构紧凑、易于集成的特点,但往往需要打孔接地,给滤波器的制作带来一定困难;二是利用多层介质结构设计多通带滤波器,这种方法加大了设计与制作难度;三是并联多个谐振器来实现多通带滤波器,这种方法具有结构简单、设计便捷等特点,受到众多学者的青睐。

针对以上问题,本文提出了一款基于四个开路均匀阻抗谐振器结构的新型五通带滤波器。四个互相耦合的均匀阻抗谐振器可激发六个谐振模式。探究了耦合谐振器的谐振特性,绘制了谐振频率与电长度的关系曲线,并研究了各通带带宽随耦合间距及耦合长度的变化趋势。通过平衡上述参数,对五通带滤波器进行设计、仿真、制作和测试,测试结果与仿真结果良好吻合。

1 谐振器分析与设计

五通带滤波器版图如图1 所示,滤波器由四个互相耦合的半波长均匀阻抗谐振器组成,结构关于面OO′对称。其中,最外侧的谐振器称为1 号谐振器,下方内侧的谐振器称为2 号谐振器,上方最内侧的谐振器称为4 号谐振器,上方1 号和4 号之间的谐振器称为3 号谐振器。为了简化分析,四个谐振器的特性阻抗保持一致。图中Lij(i,j=1,2,3,4)代表第i号谐振器中的第j段微带线的长度,Lki(i=1,2,3,4)代表第i段馈线的长度,W为谐振器的宽度,Si(i=1,2)代表相应谐振器间的间距,Skij(i,j=1,2,3,4)代表第i号谐振器中的第j段微带线与馈线的间距。根据奇偶模分析方法,奇模激励时,对称面O-O′形成电壁,即对称面短路接地;偶模激励时,对称面形成磁壁,即对称面开路。

图1 五通带滤波器版图Fig.1 Layout of proposed quint-band bandpass filter

弱耦合条件下耦合谐振器的频率响应如图2 所示。从图2 可以看出,四个耦合的半波长均匀阻抗谐振器共产生六个基础谐振模式及四个传输零点,其中foi(i=1,2,3,4)代表奇模谐振模式,fei(i=1,2)代表偶模谐振模式,TZi(i=1,2,3,4)代表传输零点。

图2 弱耦合条件下耦合谐振器的频率响应Fig.2 Frequency response of the coupled resonators under weak coupling condition

为了探究耦合谐振器的主要参数对六个谐振频率的影响,研究了谐振频率随电长度θ11,θ23,θ24,θ31和θ41的变化规律(其中,θij代表线段Lij的电长度)。这里采用控制变量法进行分析,即考虑一个参数时,其余参数保持不变。如图3(a)所示,当θ11增大时,第一个谐振频率fo1和第四个谐振频率fe1减小,其余谐振频率几乎不变。从图3(b)可以看出,θ41的变化仅影响第五个谐振频率fo4。由图3(c)可得,第二个谐振频率fo2和第六个谐振频率fe2随着θ23的增加向较低频率范围移动。在图3(d)中,θ24的变化仅显著改变fe2,而对其他基模影响很小。在图3(e)中,θ31的变化只影响第三个谐振频率fo3。因此,合理选择θ11,θ23,θ24,θ31和θ41的不同组合,可以灵活控制耦合谐振器的六个谐振频率。

图3 谐振频率随(a) θ11,(b) θ41,(c) θ23,(d) θ24及(e) θ31的变化曲线Fig.3 The resonant frequency varies with (a) θ11,(b) θ41,(c) θ23,(d) θ24 and (e) θ31

值得注意的是,耦合谐振器因多径传输产生的传输零点不仅改善了滤波器的通带选择性,而且可以将谐振模式分离。根据传输零点位置及谐振频率特性,六个谐振频率被分为五组谐振模式。其中fo1,fo2,fo3和fe2分别独立为一组谐振模式,fe1和fo4合为一组谐振模式。图4 绘制了滤波器的耦合方案,五组谐振模式共形成了五个传输路径。

图4 滤波器的耦合方案Fig.4 Coupling scheme of the filter

2 五通带滤波器分析与设计

基于上述分析,绘制了五通带带通滤波器在合理耦合强度下的全波电磁仿真结果,如图5 所示。第一、二、三、五通带各有一个传输极点,第四通带有两个传输极点,这与前面探讨的五组谐振模式一致。五通带滤波器共产生五个传输零点,其中TZ1、TZ2和TZ4为耦合谐振器形成的多径传输效应产生,TZ3和TZ5为耦合谐振器与叉指馈线耦合形成的多路径产生。

图5 五通带滤波器的S21和S11频率响应Fig.5 The S21 and S11 frequency response of quint-band filter

为了进一步探究谐振器在各通带中心频率的谐振特性,分别绘制了五个中心频率对应的谐振器电流密度分布图,如图6 所示。

图6 五通带滤波器在(a) 1.9 GHz,(b) 2.4 GHz,(c) 3.3 GHz,(d) 4.1 GHz 和(e) 5 GHz 的电流密度分布Fig.6 Current density distribution of quint-band filter at (a) 1.9 GHz,(b) 2.4 GHz,(c) 3.3 GHz,(d) 4.1 GHz and (e) 5 GHz

从图6(a)可以看出,一通带中心频率处的电流密度主要集中在最外侧的1 号谐振器。从图6(b)和(e)可以看出,2 号谐振器主要在二通带和五通带中心频率谐振。图6(c)中3 号谐振器主要在三通带谐振。四通带中心频率的电流密度主要集中在4 号谐振器。由于四通带的中心频率接近一通带的二倍频,因此1 号谐振器在四通带中心频率处也有较明显的电流分布(如图6(d))。由图6(e)可知,五通带中心频率的电流密度集中在2 号和4 号谐振器。可以发现,图6 的中心频率电流分布特性与图3 的谐振频率变化规律一致。

滤波器的带宽取决于外部品质因数和耦合系数。其中馈线与谐振器之间的耦合决定外部品质因数,谐振器与谐振器之间的耦合决定耦合系数。图7 给出了耦合间隙Sk11及耦合长度l31、l41和l24对五个通带带宽的影响。如图7(a),耦合间隙Sk11对五个通带带宽均有影响。在图7(b)中,当耦合长度l31增加时,仅第三通带带宽增加,其余四个通带带宽保持恒定。在图7(c)中,耦合长度l41只影响第四通带带宽。在图7(d)中,当耦合长度l24减少时,第五通带带宽稍变宽,其余通带带宽不变。因此,首先调节耦合间隙Sk11,使第一和第二通带带宽达到理想值,接着第三、第四和第五通带带宽可以分别由耦合长度l31,l41和l24独立控制。综上所述,合理调节耦合间隙和耦合长度,可在特定方式下独立控制五个通带的带宽。

图7 五通带带宽随(a) Sk11,(b) l31,(c) l41及(d) l24的变化规律Fig.7 The quint-band bandwidths varied with (a) Sk11,(b) l31,(c) l41 and (d) l24

3 滤波器测试与讨论

为了验证上述设计方法,对提出的五通带带通滤波器进行制作和测试。滤波器采用Rogers 4003 作为基板,基板的相对介电常数为3.55,基板厚度为0.508 mm,损耗正切角为0.0027。经过最终的全波电磁仿真与优化,将滤波器的几何尺寸汇总于表1。加工制作的滤波器实物如图8。五通带带通滤波器的电路尺寸为10.55 mm×17.32 mm,或0.11λg×0.18λg(其中,λg是滤波器第一通带中心频率对应的导波波长,电路尺寸不包括馈线长度)。

图8 五通带滤波器实物Fig.8 Photograph of fabricated quint-band filter

表1 制作滤波器的几何尺寸Tab.1 The geometric sizes of the fabricated filter mm

使用安捷伦矢量网络分析仪E5071C 对制作的实物进行测试。仿真和测试结果的对比如图9。测试的五通带滤波器的中心频率分别为1.9,2.37,3.34,4.2 和4.86 GHz,3 dB 相对带宽分别为7.9%,8.9%,9.9%,9.5%和7.4%。五个通带的最小插入损耗分别为1.35,1.26,1.62,1.14 和2.11 dB,回波损耗分别为18.9,23.3,16.4,37.6 及16.5 dB。滤波器通带附近共产生五个传输零点,显著提高了通带选择性与带间隔离度。仿真和测试差异源于制作误差及SMA 接头的焊接误差。

图9 滤波器的仿真与测试结果对比Fig.9 Comparison of simulated and measured results of filter

表2 将提出的滤波器参数与部分已报道的四通带及五通带带通滤波器的参数进行对比。可以发现,该滤波器在电路尺寸、回波损耗及设计便捷度方面具有显著优势。

表2 本工作与已有工作对比Tab.2 Comparison between this work and prior work

4 结论

使用简易的并联多组谐振器的方法实现并制作了一款新型五通带带通滤波器。滤波器由四个耦合的半波长均匀阻抗谐振器构成。通过合适的馈电结构,可以激发六个频率可控的谐振模式,具有较高的频率设计自由度。此外,五个通带带宽可通过调节耦合间距及耦合长度来独立控制。滤波器在通带附近共产生五个传输零点,从而提升了通带选择性和带间隔离度。制作的滤波器电路尺寸为10.55 mm×17.32 mm,五个通带插入损耗分别为1.35,1.26,1.62,1.14 和2.11 dB。设计的五通带滤波器具有尺寸紧凑、高通带选择性及低插入损耗等特性,可应用于多频带无线通信系统。