張 娟, 李國(guó)輝, 王志彬

(上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200072)

基于慢波開環(huán)諧振器的雙模微帶濾波器

張 娟, 李國(guó)輝, 王志彬

(上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200072)

設(shè)計(jì)一種新型的基于慢波開環(huán)諧振器的雙模微帶濾波器.該濾波器采用長(zhǎng)度變化的微擾方式,增加了開路枝節(jié)線作為容性負(fù)載,實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化設(shè)計(jì).與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,該濾波器在相同的諧振頻率下尺寸減小了19%,具有準(zhǔn)橢圓函數(shù)響應(yīng),在中心頻率 2.4 GHz處的帶寬為 4%,且測(cè)量和仿真結(jié)果比較吻合.

雙模濾波器;微擾方式;開路枝節(jié);小型化;高選擇性

Abstract:A novel dual-modemicrostrip filterwith a slow-wave open-loop resonator hasbeen designed.It uses a perturbation arrangement of length change and includes open stubs as capacitive loads,leading to size reduction of the filter.Compared with the traditional dual-mode filter at the same design frequency,the p roposed filter can significantly reduce the circuit size of 19%,and possesses a quasi-elliptic response.A bandpass filter with a 4%bandwidth centered at 2.4 GHz has been achieved.Themeasured results agree well with simulations.

Key words:dual-mode filter;perturbation mode;open stub;miniaturization;high selection

1972年,Wolff[1]首次提出了基于雙模環(huán)形諧振器的微帶帶通濾波器.雙模濾波器具有小型化、低損耗和易產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)等優(yōu)勢(shì),廣泛地應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)[2].在通常情況下,雙模諧振器的輸入輸出饋線呈正交放置,而對(duì)角線上的小貼片、小缺口或枝節(jié)線形成微擾并激起互相耦合的兩個(gè)簡(jiǎn)并模式[3].通過調(diào)整饋線和微擾位置,這種基于雙模諧振器的微帶帶通濾波器能實(shí)現(xiàn)切比雪夫、橢圓函數(shù)或準(zhǔn)橢圓函數(shù)響應(yīng)[4-8].

2002年,G?rür[2]提出了一種基于微帶慢波開環(huán)諧振器的雙模帶通濾波器.本研究是在該濾波器內(nèi)部的 4對(duì)開環(huán)臂上增加開路枝節(jié)線作為容性負(fù)載,并通過調(diào)整開環(huán)臂的長(zhǎng)度形成微擾激起互相耦合的兩個(gè)簡(jiǎn)并模式.這種新型結(jié)構(gòu)充分利用了濾波器的內(nèi)部空間,實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化.測(cè)量和仿真結(jié)果比較吻合,顯示了該設(shè)計(jì)的有效性.

1 雙模帶通濾波器設(shè)計(jì)

圖1(a)為所提出的新型雙模帶通濾波器模型.該濾波器由內(nèi)部帶有 4對(duì)開環(huán)臂并增加容性負(fù)載的微帶環(huán)形諧振器、半包圍耦合臂和階梯型輸入輸出饋線組成,并通過內(nèi)部開環(huán)臂長(zhǎng)度的改變形成微擾以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)簡(jiǎn)并模的控制.與圖1(b)所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,新型結(jié)構(gòu)在不額外占據(jù)外部空間的情況下,增加了 4對(duì)開路枝節(jié)作為容性負(fù)載.由于容性負(fù)載的慢波效應(yīng),新型諧振器與傳統(tǒng)的相比獲得了更低的諧振頻率,從而實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化設(shè)計(jì).圖2為新舊兩種結(jié)構(gòu)的濾波器在占據(jù)相同尺寸前提下的回波損耗,新型結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的諧振頻率分別為 2.39和 2.95 GHz,相當(dāng)于新型結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的尺寸減小了 19%.

圖1 兩種不同結(jié)構(gòu)濾波器的示意圖Fig.1 Geometry of two types of f ilter s

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,新型結(jié)構(gòu)還采用了不同的微擾方式,通過諧振器內(nèi)部開環(huán)臂的長(zhǎng)度變化ΔL=L1-L2形成微擾,激起互相耦合的兩個(gè)簡(jiǎn)并模式.當(dāng)ΔL=0時(shí),沒有微擾,只有單個(gè)模式被激起;當(dāng)ΔL≠0時(shí),無論從任何一個(gè)端口激勵(lì),兩個(gè)簡(jiǎn)并模式都激起并互相耦合,導(dǎo)致了諧振頻率的分離.這兩個(gè)簡(jiǎn)并模式分別對(duì)應(yīng)于諧振器中的 TM1z00和TM0z10模[3].模式的耦合度取決于ΔL的大小,ΔL又反過來控制著模式的分離.圖3為新型結(jié)構(gòu)雙模諧振器兩個(gè)模式隨ΔL變化的分離情況,是在弱耦合情況下用全波電磁仿真軟件 Sonnet的仿真結(jié)果.可以明顯看出,當(dāng)沒有微擾即ΔL=0時(shí),只有一個(gè)模式被激起;隨著ΔL的增大,兩個(gè)模式的諧振頻率分別朝著相反的方向增大和減小.這一點(diǎn)不同于傳統(tǒng)的由小貼片形成的微擾.在貼片微擾方式中,一個(gè)模式的諧振頻率保持不變,而另一個(gè)模式的諧振頻率隨著微擾的增大而減小[2].此外,兩個(gè)簡(jiǎn)并模式的耦合系數(shù)可由下式得到[9]:

式中,fp1和 fp2為兩個(gè)模式的諧振頻率.耦合系數(shù) k作為微擾大小的度量,隨著微擾的增加而增大.圖3所用諧振器的具體尺寸如下:a=b=12.0 mm,s=0.6 mm,R=3.1 mm,m2=0.3 mm,m3=0.5 mm,L3=L4=4.8 mm.

圖2 兩種諧振器在占據(jù)相同尺寸的前提下的回波損耗Fig.2 Return loss for two resonator s when employ the sam e space

2 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過上述模式分析的結(jié)果,設(shè)計(jì)并制作了一種新型的基于慢波開環(huán)諧振器的雙模微帶帶通濾波器.在相對(duì)介電常數(shù)為 3.5,厚度為 0.5 mm的介質(zhì)板上,設(shè)計(jì)濾波器的尺寸如下:a=b=12.0 mm,L1=5.45 mm,L2=4.05 mm,L3=L4=4.8 mm,R=3.6 mm,m1=0.2 mm,m2=0.3 mm,m3=0.5 mm,s=0.3 mm.加工的實(shí)物濾波器如圖4所示.

圖3 兩個(gè)簡(jiǎn)并模式的諧振頻率和耦合系數(shù)隨微擾的變化情況Fig.3 Coup ling coeff icien t and resonance frequenc ies of two degenerate modes against the per turbation

圖4 濾波器實(shí)物圖Fig.4 Photograph of the fabr icated f ilter

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (Agilent8722ES)對(duì)該濾波器進(jìn)行測(cè)量,圖5為仿真和實(shí)測(cè)的 S參數(shù)曲線.可以看出,傳輸特性曲線的通帶兩側(cè)各產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)橢圓函數(shù)特性,中心頻率大約為 2.4 GHz,測(cè)量的帶內(nèi)插損小于 2 dB,3 dB帶寬為 4%,回波損耗大于 17 dB.濾波器的選擇性ξ[10]為

式中,αmax和αmin分別為 3和 20 dB衰減點(diǎn),fp和 fs分別為 3 dB截止頻率和 20 dB阻帶頻率.因此,通帶左右兩邊的ξ分別為 152和 378 dB/GHz,具有很高的頻率選擇性.測(cè)量和仿真結(jié)果基本吻合,造成微小誤差的原因可能是制作工藝上的偏差和各種損耗,包括導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗等.

3 結(jié) 束 語

本研究采用慢波開環(huán)諧振器設(shè)計(jì)了一種新型的小型化雙模微帶帶通濾波器.由于增加了開路枝節(jié)線作為容性負(fù)載,使濾波器的諧振頻率往低頻方向偏移,從而實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化設(shè)計(jì).通過長(zhǎng)度變化的微擾方式實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)簡(jiǎn)并模的控制.頻率響應(yīng)曲線為準(zhǔn)橢圓函數(shù)特性,具有較好的窄帶帶通特性和頻率選擇性.仿真和測(cè)量結(jié)果顯示,該濾波器不僅保持了雙模微帶濾波器的優(yōu)良特性,并具有小型化、高選擇性等優(yōu)勢(shì).

圖5 濾波器的仿真和測(cè)量結(jié)果Fig.5 Simulated and measured results for f ilter

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(編輯:趙 宇 )

A Dual-M ode M icrostr ip Filter w ith Slow-Wave Open-L oop Resonator

ZHANGJuan, L IGuo-hui, WANG Zhi-bin
(Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

TN 822.4

A

1007-2861(2010)04-0367-04

10.3969/j.issn.1007-2861.2010.04.007

2009-03-04

上海市重大科技攻關(guān)資助項(xiàng)目 (07DZ15006);上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目 (S30108);上海市科委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(08DZ2231100)

李國(guó)輝 (1970～),男,副教授,博士,研究方向?yàn)槲⒉ü庾訉W(xué).E-mail:ghlee@sh163.net