王路超 金 龍

(電子科技大學(xué) 成都 611731)

0 引言

隨著通信技術(shù)的日益發(fā)展，高性能、小尺寸、寬通帶的濾波器在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中起著越來(lái)越重要的作用。微帶環(huán)形諧振器可以滿足這些要求，并廣泛的應(yīng)用在帶通濾波器設(shè)計(jì)中［1］。雖然文獻(xiàn)［2～4］中這些環(huán)形濾波器都具有很大的帶寬，但是其阻帶帶寬都很小，這對(duì)抑制帶外干擾信號(hào)是非常不利的。將多個(gè)濾波器級(jí)聯(lián)可以增加濾波器阻帶的帶寬，但是這種方法會(huì)增大濾波器的尺寸。因此，在濾波器設(shè)計(jì)中，增大濾波器阻帶帶寬的同時(shí)減小其尺寸是一個(gè)難點(diǎn)。

本文以一種帶有兩個(gè)開路調(diào)節(jié)支節(jié)的正方環(huán)形諧振器［2］為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、寬阻帶的寬帶帶通濾波器。在不改變諧振器奇偶模特性的條件下，對(duì)傳統(tǒng)的正方形諧振環(huán)濾波器的饋電點(diǎn)和開路支節(jié)的位置進(jìn)行調(diào)整。這種調(diào)整有助于我們將濾波器進(jìn)行小型化處理。另外，在輸入輸出端口通過(guò)兩個(gè)叉指耦合結(jié)構(gòu)對(duì)濾波器進(jìn)行饋電，叉指耦合結(jié)構(gòu)能夠提高阻帶抑制度和阻帶寬度，因此，本文中設(shè)計(jì)的寬帶帶通濾波器具有緊湊性和寬阻帶的優(yōu)點(diǎn)。

1 帶有開路支節(jié)的正方環(huán)形諧振器

環(huán)形諧振器主要有圓環(huán)形諧振器和正方環(huán)形諧振器。當(dāng)環(huán)形諧振器的周長(zhǎng)是波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，諧振器就處于諧振狀態(tài)［1］。帶有兩個(gè)λg/4開路調(diào)諧支節(jié)的正方環(huán)形諧振器如圖1所示，環(huán)的周長(zhǎng)為λg，方形環(huán)的每個(gè)邊長(zhǎng)為λg/4，λg為濾波器中心頻率的波導(dǎo)波長(zhǎng)，方環(huán)微帶線的特性阻抗為Z1，其開路支節(jié)的特性阻抗為Z2;諧振器的輸入和輸出端口傳輸線的特性阻抗均為Z0。該諧振器是關(guān)于環(huán)的對(duì)角線對(duì)稱的，可以將其等效成傳輸線模型來(lái)對(duì)其進(jìn)行奇偶模分析［5］，文獻(xiàn)［2］給出了其具體的分析過(guò)程。諧振器的中心頻率是由正方諧振器的邊長(zhǎng)和開路調(diào)節(jié)支節(jié)的長(zhǎng)度確定的，諧振器的通帶由Z1和Z2的比值確定，即諧振器的兩個(gè)傳輸零點(diǎn)由a=Zl/Z2確定。λg/4開路支節(jié)在環(huán)形諧振器傳輸零點(diǎn)處的電長(zhǎng)度與特性阻抗比a=Zl/Z2的關(guān)系［6］:

圖1 帶有λg/4開路調(diào)諧支節(jié)的正方環(huán)形諧振器

本文將式(1)進(jìn)一步推導(dǎo)，得到諧振器的兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的計(jì)算公式:f1和f2是位于中心頻率兩側(cè)的兩個(gè)傳輸零點(diǎn)。因此，當(dāng)濾波器的中心頻率選定后，可以通過(guò)改變a=Zl/Z2的值來(lái)調(diào)整傳輸零點(diǎn)f1和f2，進(jìn)而改變諧振器的通帶帶寬。

2 濾波器設(shè)計(jì)與仿真

如圖1所示，帶有兩個(gè)λg/4開路調(diào)諧支節(jié)的正方環(huán)形諧振器的饋電端口和開路支節(jié)分別位于方形諧振環(huán)各邊的中點(diǎn)，諧振環(huán)關(guān)于正方形對(duì)角線對(duì)陣。兩個(gè)饋電點(diǎn)間距的電長(zhǎng)度，兩個(gè)開路支節(jié)間距的電長(zhǎng)度以及饋電點(diǎn)與開路支節(jié)間距的電長(zhǎng)度均為λg/4?；跒V波器小型化的考慮，如圖2所示，本文將改變諧振器的饋電和開路支節(jié)的位置，即饋電點(diǎn)和開路支節(jié)分別位于方形諧振環(huán)的四個(gè)頂點(diǎn)，并將諧振環(huán)的四段傳輸線進(jìn)行折疊，兩個(gè)開路支節(jié)也進(jìn)行折疊。這種處理并不影響諧振環(huán)的奇偶模特性，諧振環(huán)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)依然是對(duì)稱的，兩個(gè)饋電點(diǎn)間距的電長(zhǎng)度，兩個(gè)開路支節(jié)間距的電長(zhǎng)度以及饋電點(diǎn)與開路支節(jié)間距的電長(zhǎng)度依然為λg/4。這種處理顯著的增加了諧振器的緊湊性。

圖2 本文所設(shè)計(jì)的寬帶帶通濾波器

目前，增加環(huán)形寬帶濾波器的阻帶寬度和抑制度的常用方法是:將多個(gè)諧振環(huán)濾波器級(jí)聯(lián)［7］起來(lái)，可以增大阻帶帶寬和提高阻帶抑制度，但是這種方法不利于濾波器的小型化。或是在濾波器輸入和輸出端口引入馬刺線［8］，通過(guò)在高頻段引入一個(gè)零點(diǎn)來(lái)提高阻帶抑制度，如果通過(guò)馬刺線來(lái)抑制低頻段阻帶，馬刺線的長(zhǎng)度就會(huì)很大，也不利于濾波器的小型化。本文采用的提高阻帶抑制度的方法是在濾波器的輸入和輸出端引入叉指耦合結(jié)構(gòu)［9］來(lái)抑制阻帶。如圖3示，這個(gè)叉指耦合結(jié)構(gòu)的作用相當(dāng)于一個(gè)帶通濾波器，使其通帶大于環(huán)形寬帶濾波器，并能在高頻段產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)這個(gè)叉指耦合結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度LC可以調(diào)節(jié)其對(duì)濾波器高頻段阻帶的抑制度。而且由于濾波器是耦合方式饋電，其在f=0 Hz也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，對(duì)濾波器的低頻段阻帶起到了抑制作用。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為4GHz，通帶為3.1 GHz～4.9GHz，相對(duì)帶寬為45%的帶通濾波器。根據(jù)式(2)、(3)計(jì)算出開路調(diào)節(jié)支節(jié)的特性阻抗與環(huán)形諧振器的特性阻抗的比值a=Zl/Z2，當(dāng)相對(duì)帶寬為45%時(shí)，a=0.465。正方形諧振環(huán)的特性阻抗為50Ω，其每個(gè)邊長(zhǎng)和開路調(diào)節(jié)支節(jié)的長(zhǎng)度均為中心頻率對(duì)應(yīng)波導(dǎo)波長(zhǎng)的四分之一，即λg/4。所選取的介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為9.6，厚度為0.8 mm。如圖2所示，寬帶帶通濾波器各部分的具體尺寸:

圖3 叉指耦合結(jié)構(gòu)不同長(zhǎng)度Lc時(shí)傳輸特性

通過(guò)電磁仿真軟件HFSS13對(duì)濾波器進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)將介質(zhì)表面敷銅的電導(dǎo)率設(shè)置為σ=5.8×107S/m，介質(zhì)損耗角tanδ=0.003，就可以把濾波器的導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗一并考慮進(jìn)去，獲得較為精確的計(jì)算結(jié)果。仿真計(jì)算得到的濾波器頻率響應(yīng)曲線和群時(shí)延如圖4所示。仿真結(jié)果顯示，濾波器的通帶內(nèi)插入損耗小于0.8dB，反射損耗均小于－12dB，群時(shí)延小于0.8ns，獲得了預(yù)期的效果。本文所設(shè)計(jì)的濾波器和圖1所示的傳統(tǒng)方環(huán)濾波器的S參數(shù)對(duì)比如圖4(a)所示，本文設(shè)計(jì)的濾波器在1～2.9GHz阻帶抑制度均大于12dB，5.3～7GHz阻帶抑制度均大于15dB。

圖4 本文設(shè)計(jì)濾波器的仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本文在一種傳統(tǒng)的正方環(huán)形諧振器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種緊湊型、寬阻帶的微帶帶通濾波器，并對(duì)計(jì)算諧振器傳輸零點(diǎn)的公式做進(jìn)一步推導(dǎo)，得到了關(guān)于諧振器傳輸零點(diǎn)的計(jì)算公式?；谡江h(huán)形諧振器的奇偶模特性，在不改變諧振器特性的條件下，將諧振器的饋電點(diǎn)和開路支節(jié)位置進(jìn)行調(diào)整，以便將諧振器進(jìn)行折疊，使其更加緊湊。通過(guò)叉指耦合結(jié)構(gòu)的帶通及在高頻段產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的特性，將其引入到濾波器的輸入和輸出端口，改善了濾波器的阻帶性能。仿真結(jié)果驗(yàn)證了預(yù)期的分析和計(jì)算的正確性。本文所設(shè)計(jì)的濾波器可應(yīng)用于諸多無(wú)線通信系統(tǒng)中，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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