具有高共模抑制特性的微带差分带通滤波器

张 胜,黄若琳,王宁宁,宋建宇,程德强

(中国矿业大学 信息与控制工程学院,江苏 徐州 221116)

0 引言

近年来,随着通信系统的快速发展,对于射频前端器件性能的要求越来越高,滤波器作为射频前端电路重要的组成部分,其性能好坏直接影响整个通信系统[1-2]。与传统的单端口电路相比,平衡电路可有效地抑制各种环境噪声,从而达到良好的共模噪声抑制效果[3-5],所以差分滤波器比双端口滤波器具有更高的应用价值。传统的差分滤波器由1个双端口滤波器和2个巴伦结构组成,尺寸较大,并且会带来额外损耗等问题,不适用于现代通信系统[6]。因此设计不需巴伦结构,但仍可实现传输差模信号并抑制共模信号的差分滤波器具有重要的意义[7-8]。文献[9]提出了一种具有高滤波选择特性的多层平衡宽带带通滤波器,它由2个槽线阶跃阻抗谐振器组成。通带内选择性良好,但在差模通带范围内共模抑制水平不理想。文献[10]提出了一种紧凑的超宽带差分带通滤波器,采用H型缝隙线结构实现了超宽带滤波特性,同时引入源负载耦合,提高了通带的选择性,但插入损耗有待改善。文献[11]提出了一种新型微带双频滤波器,采用一对折叠的开路枝节加载谐振器和一对缝隙线实现零度馈电,具有良好的共模抑制特性,但只产生了一个传输零点,通带内选择性不理想。

本文采用枝节加载谐振器(FSLR)和1对折叠的平行耦合线结构,设计了一款结构简单、共模抑制良好的差分带通滤波器,并对该滤波器进行加工、测试。结果表明,仿真与实测结果基本一致,均表现出良好的共模抑制特性。

1 滤波器的设计

1.1 差模通带与共模抑制特性分析

图1为本文提出的微带差分带通滤波器的结构示意图。该滤波器采用微带-缝隙线转换结构进行馈电,顶层主要由1个FSLR结构和1对折叠的平行耦合线结构来实现滤波特性,如图1(a)所示。底层的缝隙线结构如图1(b)所示。差分带通滤波器的具体尺寸如表1所示。

表1 滤波器的参数值

图1 差分带通滤波器结构示意图

由于微带-缝隙线转换结构具有固有的共模抑制特性,当差模激励时,在缝隙线的对称面上形成理想电壁,如图2(a)所示。图中箭头表示微带线和缝隙线中电场的方向,此时电场垂直于对称面,与缝隙线中的电场分布相匹配,可完成微带到缝隙线的传输,从而形成差模通带;而当共模激励时,在对称面上形成的理想磁壁如图2(b)所示,缝隙线模式中的电场均垂直于磁壁,相互抵消,从而抑制了共模的传输[12-13],所以采用该结构能更好地抑制共模信号。本文采用阶梯阻抗型缝隙线,通过适当地调节缝隙线的长度和宽度,可减少传输过程中的损耗。

图2 微带-缝隙线结构的电场方向图

FSLR结构由1个对称的折叠均匀阻抗谐振器(FUIR)加载1个T型枝节组成。在偶模信号激励下,对称面等效为理想磁壁,看作开路;在奇模信号激励下,对称面等效为理想电壁,看作短路,所以在对称面上加载任何电路结构均未对电路的差模响应产生影响,仅改变共模响应。相应的奇、偶模等效电路如图3所示,对应的奇、偶模谐振频率分别为

图3 FSLR的奇偶模等效电路

(1)

(2)

式中:L1为λ/4(λ为波长)微带线长度;L2为开路加载枝节的长度;c为自由空间中的电磁波速;n=1,2,…。

通过在FSLR两侧引入1对平行耦合线结构,可额外获得1个谐振频率,如图4(a)所示。谐振器间的电磁混合耦合在通带的右侧3.8 GHz处产生了一个传输零点,如图4(b)所示。滤波器的回波损耗特性和通带选择性均得到明显改善。

图4 有无平行耦合线对S参数的影响

1.2 差分带通滤波器的性能分析

调整谐振器的尺寸可改变滤波器的带宽和中心频率,中心频率和带宽随FSLR的长度l1和平行耦合线的长度l3的变化如图5所示。随着l1增加,中心频率(f0)向低频处移动,带宽变宽;随着l3增加,f0向低频处移动,带宽变窄。同时调节l1、l3的尺寸,还可独立调节左右两侧传输零点的位置。随着l1的增加,通带左侧传输零点向低频处移动,而右侧保持不变,如图6(a)所示。随着l3的增加,通带右侧传输零点向低频处移动,左侧保持不变,如图6(b)所示。适当调整滤波器的尺寸可得到所需中心频率和带宽。

图5 尺寸变化对中心频率和带宽的影响

图6 尺寸变化对Sdd21的影响

2 滤波器的加工与测试

本文设计的差分滤波器整体尺寸为26 mm×49.2 mm,采用相对介电常数为2.2的Rogers RT/duroid 5880的介质基片,介质损耗角正切为0.000 9,介质层厚度为0.787 mm。为了验证上述设计方法的可行性,对设计的差分带通滤波器进行加工,实物如图7所示。使用测量范围为10 MHz～43.5 GHz的Keysight N5234B矢量网络分析仪进行测试。

图7 滤波器的实物图

仿真与实测结果二者基本吻合,如图8所示。仿真与实测结果存在的误差主要是由于加工以及SMA接头焊接产生的损耗造成的。中心频率为3 GHz,3 dB带宽为28.67%,最小插入损耗为1.28 dB,回波损耗优于20 dB,共模抑制均优于37 dB。在差模通带两侧各产生了1个传输零点,分别位于2.28 GHz和3.80 GHz,2个传输零点均可独立调节,改善了滤波器的带外抑制特性。表2为差分带通滤波器性能对比。由表可看出,与其他文献中差分滤波器相比,本文所提出的差分带通滤波器具有结构简单,插入损耗较低,通带选择性较好及共模抑制水平较高等优点。

表2 差分带通滤波器性能对比

图8 滤波器的仿真与实测结果对比图

3 结束语

本文采用1个FSLR和1对平行耦合线结构,使用微带-缝隙线馈电方式设计了一款具有高共模抑制、中心频率可调的差分带通滤波器,其中共模抑制水平优于37 dB,且通带两侧各产生1个传输零点。该差分带通滤波器结构简单易加工,可广泛应用于差分无线通信系统中,具有广阔的应用前景。