張友俊,馮智超

(上海海事大學(xué) 信息與工程學(xué)院,上海 201306)

在現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)中,為了降低噪聲和高次諧波對(duì)通信系統(tǒng)質(zhì)量的影響,對(duì)平衡元件和不平衡結(jié)構(gòu)的需求日益增加。巴倫可以將不平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為平衡信號(hào),其平衡信號(hào)是由兩個(gè)幅度相同但相位相差180°的信號(hào)分量組成[1],被廣泛運(yùn)用于混頻器、放大器和天線饋電網(wǎng)絡(luò)等。帶通濾波器是頻率選擇的器件,它們?cè)谏漕l系統(tǒng)的前端占據(jù)著十分重要的地位。為了降低通信系統(tǒng)的成本和簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì),需要集成巴倫和帶通濾波器,目的是在信號(hào)選擇的同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)單端到差分的轉(zhuǎn)化。目前巴倫帶通濾波器因具有獨(dú)特的綜合特性而倍受關(guān)注。

近年來,研究人員提出了各種微帶巴倫帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法[2-15],如采用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)[2-6]來實(shí)現(xiàn)巴倫濾波器結(jié)構(gòu)小型化,這種技術(shù)是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉末制成厚度精確的陶瓷帶,在高溫下燒結(jié),制作成三維空間互不干擾的高密度電路,但其制作成本高、難度大且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。Xia 等[7]采用空間耦合的陶瓷加載三角形諧振器(CLR)來設(shè)計(jì)巴倫帶通濾波器,這種方法與傳統(tǒng)的微帶線濾波器相比,其插入損耗較小,并且采用了空間耦合結(jié)構(gòu),大大簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu),但是設(shè)計(jì)制作難度大,對(duì)加工工藝要求高。Sun 等[8]利用貼片諧振器本身的異相特性來設(shè)計(jì)巴倫帶通濾波器。Wang 等[9]采用駐波模式和耦合短截線加載的諧振器來設(shè)計(jì)巴倫帶通濾波器,雖然大大提高了帶外抑制能力,但是其結(jié)構(gòu)受到了電路尺寸的影響。Huang 等[10]利用多層液晶聚合物(LCP)電路技術(shù)設(shè)計(jì)出一種超寬帶巴倫帶通濾波器,雖然取得較好特性,但是其電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜,不易制作。

微帶環(huán)形諧振器具有體積小、成本低、品質(zhì)因素高等特點(diǎn),在各種微波器件中得到廣泛的應(yīng)用。本文提出一種基于圓環(huán)形諧振器的巴倫帶通濾波器,由一個(gè)圓環(huán)形諧振器、三個(gè)弧形饋電端口和八個(gè)均勻間隔分布的短截線及短弧構(gòu)成。通過加載短接枝節(jié)微擾的方式激發(fā)了簡(jiǎn)并模式,調(diào)整激勵(lì)端口的角度得到濾波器和巴倫的特性,可以產(chǎn)生兩個(gè)傳輸零點(diǎn),提高了帶外性能。最后,為了驗(yàn)證該方案,通過軟件HFSS 15.0 仿真優(yōu)化,再結(jié)合實(shí)物加工測(cè)試,對(duì)該微帶圓環(huán)形巴倫濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的驗(yàn)證。

1 濾波器理論及分析

1.1 圓環(huán)形諧振器

在微帶線濾波器的設(shè)計(jì)中,圓環(huán)形諧振器已經(jīng)被廣泛使用到多種濾波器的結(jié)構(gòu)當(dāng)中。圖1 為圓環(huán)形巴倫濾波器的拓?fù)鋱D,該巴倫濾波器由三個(gè)激勵(lì)端口(Port1～Port3)和八個(gè)用于激發(fā)簡(jiǎn)并模的短截線以及圓弧,以相等的間距和寬度分別連接到圓環(huán)形諧振器上,不平衡輸出端口Port1與平衡輸出端口Port2之間的電長(zhǎng)度為θ1,不平衡輸出端口Port1與平衡輸出端口Port3之間的電長(zhǎng)度為θ2,兩個(gè)平衡輸出端口Port2和Port3之間的電長(zhǎng)度為θ3=θ1+θ2=180°,這使兩個(gè)端口的平衡輸出具有適當(dāng)?shù)南辔徊?。本文使用短圓弧平行耦合線作為饋電端口的集總電容Cf。

圖1 圓環(huán)形巴倫濾波器拓?fù)鋱DFig.1 Topological structure diagram of circular balun filter

如圖1 所示,θ1、θ2和θ3分別為相鄰兩個(gè)端口之間圓環(huán)路徑的電長(zhǎng)度,在饋電端口處極弱的電容耦合下[11],諧振發(fā)生在:

由于一個(gè)端口到另一端口的不同路徑之間的橫向干擾,其傳輸零點(diǎn)出現(xiàn)在:

在第一次諧振時(shí),圓環(huán)諧振器的總電長(zhǎng)度等于360°,因此φ=θ1=360°-θ2-θ3,當(dāng)θ1=20°時(shí),θ2+θ3=340°=17θ1,在這種條件下,傳輸零點(diǎn)出現(xiàn)在3.8 GHz。測(cè)試了θ1分別為20°,40°,60°時(shí),S21和S31(插入損耗)的幅度頻率響應(yīng),如圖2 所示,可以看出,當(dāng)θ1=20°時(shí),S21和S31的幅度相差不大,插入損耗較小,帶外抑制也較好,所以選擇端口Port1和端口Port2分離角度為20°。

圖2 θ1調(diào)節(jié)的頻率響應(yīng)Fig.2 θ1 adjusted frequency response

圖3 為圓環(huán)形巴倫濾波器電路等效傳輸線模型,為了方便計(jì)算輸入Port1和輸出Port2,輸出Port3,這三個(gè)端口由特性阻抗Z0終止。Z1為圓環(huán)的阻抗特性,兩條傳播路徑分為上下(Upper,Lower)兩部分。

圖3 圓環(huán)形巴倫濾波器的等效電路圖Fig.3 The equivalent transmission line simulation diagram of circular balun filter

利用傳輸線模型和ABCD參數(shù)轉(zhuǎn)換為Y參數(shù)[12]可以計(jì)算出環(huán)形諧振器的總轉(zhuǎn)移導(dǎo)納Y21,t。

式中:Z1是圓環(huán)傳輸線的特性阻抗;w為角頻率;Cf為饋電端口的集總電容;θ1是無損傳輸線的傳播常數(shù);ZStub是短截線和短弧的特性阻抗;Z21,u是向上傳輸線路的特性阻抗;Z21,l是向下傳輸線路的特性阻抗。

通過讓上下兩部分的導(dǎo)納相等,即Y21,u=-Y21,l,可以求出巴倫濾波器的傳輸零點(diǎn)。通過HFSS 15.0 仿真可以看出,兩個(gè)零點(diǎn)分別出現(xiàn)在通帶兩側(cè)。從圖2可以看出,不同電長(zhǎng)度θ1的大小會(huì)對(duì)簡(jiǎn)并模式的分離產(chǎn)生影響。經(jīng)過仿真開路枝節(jié)的個(gè)數(shù)與長(zhǎng)短也會(huì)對(duì)簡(jiǎn)并模的分離程度有影響。通過仿真,在電長(zhǎng)度為20°時(shí),可以激發(fā)簡(jiǎn)并模式且耦合強(qiáng)度較高。

1.2 弧形饋電端口

巴倫濾波器由圓環(huán)雙模諧振器和饋電結(jié)構(gòu)組合而成,加載合適的饋電結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)饋電端與圓環(huán)諧振器之間的良好電磁耦合。本文采用弱耦合的饋電方式,源和負(fù)載難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合,濾波器的性能較差,為了實(shí)現(xiàn)饋電端與圓環(huán)形諧振器之間較好的耦合從而達(dá)成有效濾波的目的,在環(huán)形諧振器的平衡與不平衡輸入和輸出端口分別加載了一段圓弧開路枝節(jié),通過增加弧線的耦合長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)源和負(fù)載兩者之間的耦合度。

當(dāng)弧形開路枝節(jié)的長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí),巴倫濾波器的S21和S31參數(shù)也會(huì)隨之改變。取圓弧開路枝節(jié)長(zhǎng)度n分別為3.66,5.49 和7.32 mm 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),巴倫濾波器的S21和S31變化結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出,n為3.66 mm 時(shí),因圓弧枝節(jié)長(zhǎng)度較小而耦合度低,無法實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振器的強(qiáng)激勵(lì)。當(dāng)n為5.49 和7.32 mm 時(shí),源和負(fù)載的耦合度變強(qiáng),而且隨著饋電圓弧長(zhǎng)度的增加,巴倫濾波器通帶變寬,但是其幅度不平衡度會(huì)隨之變差。因此可以通過調(diào)整饋電弧的長(zhǎng)度來調(diào)控巴倫濾波器的通帶寬度,本文選擇幅度不平衡度仿真表現(xiàn)較好的5.49 mm 饋電端口長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)物加工。

圖4 改變弧形饋電結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度對(duì)濾波器性能的影響Fig.4 Effect of changing the length of arc feed structure on filter performance

2 巴倫濾波器設(shè)計(jì)

基于上述對(duì)圓環(huán)諧振器的理論分析,通過HFSS 15.0 仿真并優(yōu)化,設(shè)計(jì)出一種圓環(huán)形巴倫濾波器,圖5 為提出的圓環(huán)形巴倫濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,圓環(huán)形諧振器內(nèi)外半徑分別用r1和r2來表示,其寬度為W4;不平衡激勵(lì)端口(Port1)與兩個(gè)平衡激勵(lì)端口(Port2,Port3)的角度分別為θ1和θ3+θ4+θ5,環(huán)內(nèi)短弧的角度為θ3,環(huán)內(nèi)短路枝節(jié)長(zhǎng)度為L(zhǎng)1,短截線和短弧枝節(jié)寬度分別為W1、W3,弧形饋電結(jié)構(gòu)的角度為θ2,不平衡饋電端口與環(huán)形諧振器的距離為D1,兩個(gè)平衡端口與環(huán)形諧振器的距離為D2,弧形饋電端口的寬度為W2。具體尺寸如下:r1=6.49 mm,r2=6.09 mm,W1=0.4 mm,W2=0.4 mm,W3=0.4 mm,W4=0.4 mm,D1=0.1 mm,D2=0.2 mm,θ1=20°,θ2=45°,θ3=30°,θ4=65°,θ5=65°,L1=0.4 mm。

圖5 提出的圓環(huán)形巴倫濾波器拓?fù)鋱DFig.5 Proposed structure diagram of circular balun filter

3 實(shí)物加工與測(cè)試結(jié)果

圓環(huán)形巴倫濾波器采用相對(duì)介電常數(shù)為2.65,厚度為1.0 mm 的介質(zhì)基板,圖6 為圓環(huán)形巴倫濾波器實(shí)物加工圖。實(shí)物測(cè)試與仿真的頻率響應(yīng)對(duì)比如圖7 所示,圖中實(shí)線為仿真結(jié)果,虛線為實(shí)物測(cè)試結(jié)果,實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定的偏差,主要來源于加工精度和接口處手工焊接SMA 接頭的誤差所導(dǎo)致,但是可以看出兩者基本一致。圓環(huán)形巴倫濾波器通帶的中心頻率為4.54 GHz,通帶寬度為0.24 GHz,相對(duì)帶寬為5.3%(4.38～4.62 GHz),采用圓環(huán)諧振器成功激發(fā)了簡(jiǎn)并模式,得到的濾波器尺寸為16 mm×18 mm(0.20λg×0.24λg,λg是頻帶中心頻率的波長(zhǎng))。圖8 為測(cè)量和仿真的平衡輸出的兩個(gè)端口的振幅和相位不平衡度,在4.50～4.60 GHz 通帶范圍內(nèi),不平衡端口的回波損耗低于20 dB,插入損耗優(yōu)于5 dB。在工作頻帶上兩個(gè)平衡端口測(cè)量的幅度差為0.5 dB,相位差為(180°±3°)。

圖6 濾波器實(shí)物圖Fig.6 Physical diagram of bandpass filter

圖7 實(shí)測(cè)與仿真S 參數(shù)對(duì)比圖Fig.7 Comparison of S parameters between physical test and simulation

圖8 實(shí)測(cè)相位差和幅度差Fig.8 Measured phase difference and amplitude difference

表1 為本文巴倫濾波器與其他文獻(xiàn)提出的巴倫濾波器的性能比較。從表1 可以看出,所提出的圓環(huán)形巴倫濾波器具有插入損耗低、平衡輸出端口幅度差和相位差小、尺寸緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

表1 本文與其他文獻(xiàn)巴倫帶通濾波器的性能比較Tab.1 Performance comparison of balun bandpass filters proposed in this paper with other literatures

4 結(jié)論

本文研究并設(shè)計(jì)了一種基于圓環(huán)形諧振器的微帶巴倫濾波器,在弧形饋電端口以合理角度擺放的激勵(lì)下,激發(fā)了簡(jiǎn)并模式實(shí)現(xiàn)濾波功能且具有巴倫特性。并且通帶寬度可以通過弧形饋電結(jié)構(gòu)的饋電長(zhǎng)度來控制,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性。在工作頻帶上兩個(gè)平衡端口測(cè)量的幅度不平衡度為0.5 dB,相位不平衡度為(180°±3°),濾波器尺寸為16 mm×18 mm(0.20λg×0.24λg)。滿足了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高帶外抑制和小型化的要求,因此在無線通信領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值。