一种准无反射带通滤波器

张 杨,侯 明 ,李小珍,徐开心,胡雨婷

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院,昆明 650504;2.昆明学院 信息技术学院,昆明 650214)

0 引 言

微波带通滤波器是无线通信系统中不可或缺的一部分,允许在某个频段范围内的信号通过。滤波器的小型化、高集成度、高性能已成为滤波器设计中必不可少的关键因素[1]。已经提出的带通滤波器结构,大多数是反射型的,阻带的信号被抑制返回源端[2-5]。然而,这种不需要的反射功率信号可能会恶化接收机前端的功率放大器工作。为了解决这个问题,常规的办法可以在功率放大器和带通滤波器之间插入无源或有源隔离器,但无疑会增加微波滤波器的尺寸或增加额外的直流功耗。因此,更为方便的解决方案是使用吸收或无反射滤波器,在阻带区域内消耗其内部反射的输入信号能量。

准无反射滤波器即通过集成电阻的方式将阻带的反射信号吸收,以热能的形式耗散。目前有多种类型的无反射或吸收式带通滤波器实现方法,主要利用双工器的思想来实现[6-16]。带通/带阻滤波器的阻带信号可以用带阻/带通滤波器的通带来吸收,需要满足严格的互补网络结构,拥有互补的传递函数,带通部分的通带与带阻部分的阻带带宽须保持一致,否则,难以满足较宽的吸收范围[7-10];低通/高通的阻带信号用高通/低通滤波器的通带来吸收,从奇偶模分析的思想出发,推导出满足无反射的条件来设计无反射滤波器,但是需要满足对称性和对偶性,电路设计灵活性不大,仅给出了集总电路的设计方法,不能应用于高频电路[11-13];吸收式带通滤波器的阻带能量用双通带带通滤波器来吸收,在始末频率和截止频率处吸收不完全[15];文献[16]从电长度角度分析出发,得出50 Ω阻抗匹配带宽的电长度,该方法的吸收范围只能达到75%,吸收范围窄[16]。以上基于双工器或互补双工器思想实现的准无反射滤波器均需要常规反射式滤波器两倍的元件数量,无疑增加了整个滤波器的电路尺寸。

针对互补双工器/双工器的思想设计吸收式或无反射滤波器所需元器件多、吸收不完全和吸收范围窄等问题。本文利用吸收式损耗谐振器对主通道滤波器的反射信号进行吸收,吸收式损耗谐振器由电阻与四分之一波长短路存根串联组成,相比于其他互补双工器和双工器的吸收通道,吸收式损耗谐振器结构简单,占用电路尺寸小,易于集成。对主通道进行设计,之后用吸收式损耗谐振器对主通道的阻带能量进行吸收的思想来设计吸收通道,吸收通道的吸收带宽根据主通道的阻带带宽来设计。该设计方法具有较宽吸收范围,设计灵活性强,合成简单。通过高频电磁仿真软件(high frequency structure simulator,HFSS)仿真验证了该设计方法的有效性。

1 理论分析

给出了准无反射带通滤波器的网络拓扑结构。利用阻抗匹配的思想,首先,分析平行耦合带通部分的归一化频率的输入阻抗ZinC。中心频率附近,阻抗匹配呈现出通带特性,远离中心频率时,阻抗不匹配呈现出阻带特性,阻带特性即反射特性;其次,通过分析四分之一波长吸收式损耗谐振器短路存根部分的输入阻抗ZinR,吸收式损耗谐振器部分能将带通部分的反射信号吸收;最后,给出准无反射带通滤波器简单方便的设计方法。

1.1 准无反射带通滤波器拓扑结构

本文提出的吸收式带通滤波器网络拓扑结构,如图1所示。该吸收式带通滤波器由主通道(平行耦合带通)和吸收通道(吸收式损耗谐振器)组成。主通道的平行耦合带通部分的奇模和偶模阻抗决定了其滤波特性,吸收通道的吸收式损耗谐振器部分由电阻R和四分之一电长度短路谐振器的阻抗值Z1决定吸收特性。 从输入阻抗匹配的角度出发,得出主通道通带带宽和阻带带宽,然后用吸收通道的通带对主通道的阻带进行吸收,从而达到准无反射带通滤波特性。

图1 吸收式带通滤波器网络拓扑结构Fig.1 Topology of absorption bandpass filter network

在中心频率附近,主通道输入阻抗ZinC等于50 Ω,信号无损通过;在远离中心频率时,吸收通道输入阻抗ZinR等于50 Ω,不能从主通道通过的信号,在吸收通道中通过集成电阻将能量耗散,从而达到准无反射特性。

1.2 主通道部分

主通道由四分之一波长的平行耦合带通滤波器构成,平行耦合线的奇模阻抗为Zoo和偶模阻抗为Zoe以及电长度为θ。根据耦合线的阻抗矩阵[Z],耦合线的输入阻抗ZinC可表示为

(1)

Zm、Zn表达式分别为

Zm=-j(Zoe+Zoo)cotθ/2

(2)

Zn=-j(Zoe-Zoo)cotθ/2

(3)

图2给出了具体奇模阻抗和偶模阻抗下对应的输入阻抗曲线和S参数曲线,根据耦合线的输入阻抗ZinC,当偶模阻抗Zoe=170 Ω和奇模阻抗Zoo=60 Ω时,图2a绘制出归一化频率在0～2fo的输入阻抗变化情况,观察易得,在0.6～1.4倍中心频率时输入阻抗等于50 Ω,表现出良好的阻抗匹配,信号无损通过;在0～0.6和1.4～2倍中心频率时出输入阻抗不等于50 Ω,阻抗失配,信号反射回到源端,整个频率段表现为反射式带通滤波器。根据(1)式的输入阻抗ZinC,可得出其对应的散射参数(S21_C)和透射参数(S11_C),表达式为

(4)

(5)

图2b给出了相应输入阻抗下的S参数曲线,输入阻抗ZinC等于50 Ω时,阻抗匹配,表现出良好的通带特性,当输入阻抗ZinC不等于50 Ω时,阻抗失配,表现出阻带特性,阻带特性即反射特性,需要利用吸收通道的通带进行吸收,做到准无反射特性。

1.3 吸收通道部分

为了解决上述信号反射问题,根据双工器思想,利用吸收式损耗谐振器作为吸收通道,利用吸收通道的通带对主通道的阻带能量进行吸收。从而达到准无反射的效果。

吸收通道由一个吸收电阻和四分之一波长短路谐振器串联而成,吸收电阻阻值为R,四分之一波长短路谐振器阻抗为Z1。吸收式损耗谐振器部分的输入阻抗ZinR为[15]

ZinR=R+jZ1tanθ

(6)

根据(6)式给出的吸收损耗谐振器的输入阻抗ZinR,图3绘制出频率在0～2fo输入阻抗的变化情况,当阻抗Z1=200 Ω,电长度θ=90°时,在0.6～1.4倍中心频率时,输入阻抗不等于50 Ω,信号不通过;在0～0.6和1.4～2倍中心频率时,输入阻抗等于50 Ω,信号通过,整个频率段表现为带阻特性。

图3 吸收损耗谐振器输入阻抗ZinR, Z1=200 Ω,R=150 ΩFig.3 Input impedance of absorption-loss resonator ZinR, Z1=200 Ω,R=150 Ω

根据以上分析,平行耦合带通的通带刚好是吸收损耗谐振器的阻带,吸收损耗谐振器的通带也刚好是平行耦合带通的阻带,在整个频率范围内,信号不会反射回源端,要么通过平行耦合带通端口,要么被损耗谐振器吸收,在整个频率范围内,做到了准无反射。

1.4 准无反射带通滤波器设计方法

通过以上分析,在设计吸收式带通滤波器时,首先对平行耦合带通部分进行设计,确定平行耦合部分的通带带宽和阻带带宽,平行耦合的阻带能量无法通过主通道,为了达到准无反射特性,采用吸收式损耗损耗谐振器对平行耦合带通的阻带能量进行吸收。为了保持更好的吸收效果,平行耦合的通带带宽与吸收式损耗谐振器的阻带带宽相等,平行耦合的阻带带宽与吸收式损耗谐振器的通带带宽相等。主通道与吸收通道设计过程先后进行,只需先考虑通带带宽,然后找到其互补的吸收带宽进行阻带信号吸收。设计灵活性强,设计过程简单。下面给出主通道和吸收通道确定通带带宽和互补吸收带宽的简易方法。

为了更好地设计平行耦合带通部分的通带带宽,引入耦合系数k来确定其带宽,耦合系数k可以通过奇模阻抗Zoo和偶模阻抗Zoe表示,将输入阻抗ZinC中的Zoe用k和Zoo来表达[17],得出了新的输入阻抗ZinC的表达式为

(7)

(8)

新的输入阻抗ZinC由耦合系数k和偶模阻抗Zoo决定,图4为平行耦合带通滤波器设计参考图,图4a给出偶模和奇模阻抗差为110 Ω时,耦合系数k变化时的S参数曲线,由图4a易知,耦合系数k越大,相对带宽越宽,即输入阻抗ZinC匹配50 Ω阻抗的范围越大;反之,耦合系数越小,相对带宽越窄,匹配范围越小。根据不同耦合系数下S参数曲线,图4b拟合出平行耦合相对带宽FBW与耦合系数k的线性关系,在设计带通部分时,只需根据相对带宽便可确定其耦合系数k与奇模阻抗Zoo和偶模阻抗Zoe的值,从而确定平行耦合带通部分的通带相对带宽。

对主通道进行了设计后,需要用吸收损耗谐振器对带通滤波滤波器的阻带能量进行吸收,做到准无反射特性,为了达到完全吸收,平行耦合的阻带带宽作为吸收损耗谐振器的通带带宽,图5给出了吸收式损耗谐振器的设计参考图,图5a给出了不同阻抗Z1下输入阻抗ZinR的阻抗匹配情况,Z1阻值越大,带阻的匹配相对带宽越小,Z1阻值越小,带阻的匹配相对带宽越宽。图5b拟合出输入阻抗Z1与相对带宽FBW的函数曲线,当设计所需的带宽时,可以通过查图5b,很容易得出吸收式损耗谐振器的互补吸收相对带宽下Z1的特征阻抗值。

图4 平行耦合带通滤波器设计参考图Fig.4 Design reference of parallel-coupled bandpass filter

图5 吸收式损耗谐振器设计参考图Fig.5 Reference diagram of absorption loss resonator design

提出的对主通道的带通滤波器设计后,用吸收式损耗谐振器对主通道的阻带能量进行了吸收的设计方法。给出了主通道和吸收通道的通带带宽和吸收带宽的拟合曲线,通过查曲线很容易得出主通道和吸收通道相对带宽所对应的阻抗值,从而很容易计算出相应部分的微带线物理尺寸。

2 HFSS仿真验证

为了验证本文所提出的吸收式带通滤波器设计方法,设计并仿真了中心频率fo=3 GHz,相对带宽FBW=75%的微带准无反射带通滤波器。根据图4b选择相对带宽75%时对应的耦合系数k=0.7,根据(7)式,已知偶模阻抗Zoe减去奇模阻抗Zoo等于110 Ω,即可求出偶模阻抗Zoe=133 Ω、奇模阻抗Zoo=23 Ω。主通道通带相对带宽为75%,吸收通道的吸收损耗谐振器的阻带相对带宽(即吸收带宽)为75%,根据图5b曲线,阻抗Z1=46 Ω。另外,电长度θ=90°,Zo=50 Ω,R=150 Ω,其中R是吸收电阻,在HFSS中通过不断优化调节出当R=150 Ω时,吸收效率较高。利用先进设计系统(advanced design system,ADS)的LineCalC工具,根据计算出的特性阻抗值,输入相应的电长度、介电常数、基板厚度、中心频率,便可确定微带线的物理尺寸和电场分布如图6所示。本结构的物理尺寸如图6a所示;对应的电场分布如图6b所示;图6c给出了拓扑结构与物理尺寸之间的转化工具箱,利用ADS的LineCalC工具箱,在工具箱中选择相应介电常数、中心频率、特征阻抗、电长度、基板厚度。便可以计算出相应的微带线物理尺寸。之后在HFSS中建立3维电磁模型来验证该结构的可行性。

在HFSS中绘制了吸收式带通滤波器的3D模型,并且通过高频电磁仿真来验证。选用Rogers RO4350的基板,介电常数ε=3.66,介质基板厚度H=0.508 mm,金属厚度t=0.003 5 mm,损耗正切角tan(δ)=0.000 3。吸收损耗谐振器与主通道的平行耦合带通部分平行放置,极大地减小了微带线尺寸。为了满足双端口吸收特性,加入了2个吸收损耗谐振器,整个滤波器尺寸25.5 mm×5 mm,满足了小型化,图7为仿真的S参数结果。

图7给出了0～10 GHz的S参数仿真曲线,不考虑寄生通道时,中心频率fo=3 GHz,3 dB带宽FBW=75%,中心频率处插入损耗<0.5 dB,0～10 GHz整个频率段的反射功率在-11 dB左右,吸收了92%左右的阻带功率,吸收效果好,吸收范围大,满足准无反射特性。由于是电磁仿真,所以存在寄生通带。

图6 准无反射带通滤波器的物理尺寸与电场分布Fig.6 Physical size and layout design of quasi Reflectance Bandpass filter

图7 仿真出的透射参数S21和反射参数S11Fig.7 Simulated transmission parameters S21 and reflection parameters S11

最后,通过表1对比了一些滤波器准无反射范围以及现有技术下准无反射滤波器的小型化程度和设计难易程度。通过对比发现,本文有较宽的吸收范围,较小的结构尺寸,简单的设计方法。

表1 与目前技术水平相比Tab.1 Compares with the current state of the art

3 结束语

利用主通道阻带和吸收通道的通带输入阻抗匹配的思想,给出用吸收式损耗谐振器来对主通道的阻带能量进行吸收的方法,给出了一种准无反射带通滤波器的设计方法,并给出了相应的设计图表方便查阅设计。对主通道的相对带宽进行设计后,确定吸收通道的相对带宽来对阻带能量进行吸收,该设计方法,该设计方法灵活性强,设计过程简单便捷,吸收效果好,吸收范围广。设计了一款中心频率为3 GHz、相对带宽为75%的吸收式带通滤波器,并且通过HFSS建立3D模型仿真,在阻带整个通带和阻带范围内有良好的吸收效果,阻带范围的吸收效率达到了92%左右,验证了该设计方法的可行性。通过对吸收式损耗谐振器版图位置的合理设计,给出的最终滤波器版图1.64×0.32λg×λg,满足了小型化要求。