劉海文,蔣 浩,雷久淮,覃 鳳,彭蘇萍
(中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京100083;2.華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院,江西南昌330013)
近年來,隨著無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,濾波器的設(shè)計向小型化、高性能化、低成本和易集成等方向發(fā)展.將濾波器做成多頻段結(jié)構(gòu),整個系統(tǒng)功耗將大大降低,結(jié)構(gòu)也會更加緊湊,更利于集成.因此,對多頻無線前端的關(guān)鍵部件——多頻帶濾波器的研究,就顯得更加迫切和重要[1-2].目前,設(shè)計三頻帶濾波器的方法主要有:通過級聯(lián)多個諧振器的方法來實現(xiàn)三通帶濾波器[3],但該方法會占用較大電路尺寸.基于階躍阻抗和缺陷地結(jié)構(gòu)的三頻帶濾波器[4-5],雖然有其獨特的優(yōu)點,但3個工作頻帶與對應(yīng)電路結(jié)構(gòu)尺寸不能獨立可調(diào),從而降低了濾波器設(shè)計的靈活性.
本文利用枝節(jié)加載開環(huán)多模諧振器和非對稱耦合線來設(shè)計三通帶濾波器.運用奇偶模理論對多模諧振器的特性進(jìn)行了分析,證明通過調(diào)節(jié)相關(guān)電路結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù),3個通帶的中心頻率位置能夠獨立可調(diào).同時,通過調(diào)節(jié)非對稱耦合線位置,還可以改變耦合線與諧振器之間的耦合度,從而實現(xiàn)對傳輸零點(TZ)位置的調(diào)控,進(jìn)而提高通帶的選擇性和阻帶特性[6-8].
本文設(shè)計的枝節(jié)加載開環(huán)多模諧振器如圖1所示,它由3段長度分別為 2L1、2L2、2L3,寬度為 w 的平行微帶線,和1段長度為H0=H1+H2+H3、寬度為2w的微帶線構(gòu)成.由于整個諧振器結(jié)構(gòu)沿分界線T-T1對稱分布,因此,可運用奇偶模理論對諧振器進(jìn)行分析,其奇、偶模等效電路如圖2所示.本文采用仿真工具為電磁仿真軟件Sonnet 11,介質(zhì)基片厚度為0.8mm,介電常數(shù)為3.5.
圖1 諧振器示意圖
圖2 等效電路圖
在奇模激勵的情況下,對稱面T-T1相當(dāng)于理想電壁,可以將其視作短路端,奇模等效電路如圖2(a)所示.此時,輸入導(dǎo)納(Yinoddi,i=1,2,3)可表示為 Yinodd1=-jYcotθ1,Yinodd2=-jYcotθ2,Yinodd3=-jYcotθ3,其中 θ1、θ2和 θ3分別為與物理長度 L1、L2和L3相對應(yīng)的電長度.
由諧振條件Im(Yinoddi)=0可得
從(1)~(3)式可以看出,分別調(diào)節(jié)微帶線長度L1、L2和L3可以有效地控制3個奇模的位置.在偶模激勵的情況下,對稱面T-T1相當(dāng)于理想磁壁,可以將其視作開路端,偶模等效電路如圖2(b)所示.此時,輸入導(dǎo)納(Yinevenj,j=1,2,3)可表示為 Yineven1=-jYtan(θ1+ θ11+ θ21+ θ31),Yineven2=-jYtan(θ2+θ21+ θ31),Yineven3=-jYtan(θ3+ θ31),其中 θ11、θ21和θ31分別為與物理長度H1、H2和H3相對應(yīng)的電長度.
同理,由諧振條件Im(Yinevenj)=0可得
從(4)~(6)式可以看出,分別調(diào)節(jié)微帶線長度L1+H0、L2+H2+H3和L3+H3可以有效地控制3個偶模的位置.在弱耦合仿真下,諧振器在3個奇模和3個偶模頻率處的電場分布圖如圖3所示.從圖3可以看出,在奇模諧振頻率點處,電場主要集中分布在開環(huán)處而與加載的開路枝節(jié)無關(guān),但在偶模諧振頻率點處,電場不但在開環(huán)自身結(jié)構(gòu)有電場分布,而且在加載開路枝節(jié)上也有電場分布.根據(jù)上面的分析,此諧振器可以設(shè)計成三通帶濾波器.濾波器的第1通帶可由諧振器的第1個奇模fodd1和第1個偶模feven1構(gòu)成.第2通帶和第3通帶分別可以由第2個奇模fodd2和第2個偶模feven2及第3個奇模fodd3和第3個偶模feven3構(gòu)成.
圖3 諧振器在諧振頻率處的電場分布圖
本文設(shè)計三通帶濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示.在濾波器的輸入輸出端,采用非對稱耦合線結(jié)構(gòu),通過調(diào)節(jié)非對稱耦合線可以有效控制傳輸零點的位置,從而提高通帶的選擇性和阻帶特性.在其他參數(shù)不變的前提下,只改變饋線長度L4、饋線長度L5和耦合間隙S得到的頻率響應(yīng)圖如圖5所示.從圖5(a)可以看出,由于調(diào)節(jié)L4改變了耦合線與諧振器之間的耦合度,所以TZ2隨著L4的增加向低頻方向移動.在圖5(b)中,在保持L5+L6=48.4mm前提下,TZ1和TZ2隨著L5的減小而向低頻方向移動,而TZ5隨著L5的減小向高頻方向移動.在圖5(c)中,隨著耦合間隙S的增加,TZ4向低頻方向移動.根據(jù)以上分析可以知道,在不改變諧振器參數(shù)的情況下,可通過調(diào)節(jié)非對稱耦合線來有效控制傳輸零點位置,提高濾波器的濾波選擇性.
圖4 濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
圖5 電路參數(shù)L4對諧振器奇偶模位置的影響
通過電磁仿真工具進(jìn)一步優(yōu)化濾波器,其物理尺寸選定為:w=0.4mm,S=0.2mm,L1=44.2mm,L2=31mm,L3=27.3mm,L4=8.7mm,L5=20.2mm,L6=28.2mm,L7=4.2mm,Lf=6.1mm,H0=35.2mm.加工的實物圖如圖6所示,電路的實際尺寸為18.2mm×35.6mm(約0.10 λg×0.19 λg,λg為第1通帶中心頻率所對應(yīng)的導(dǎo)波波長).電磁仿真與實測結(jié)果對比如圖7所示,2者吻合較好.通帶內(nèi)的3對奇、偶模分別在 0.935~0.975 GHz,1.54~1.57 GHz和1.8~1.845 GHz,該濾波器在3個通帶內(nèi)的插入損耗分別是1.3,1.46和1.92 dB,5個傳輸零點分別位于0.815,1.02,1.49,1.63 和1.91 GHz.
圖6 三通帶濾波器實物圖
圖7 濾波器頻率響應(yīng)仿真和測試結(jié)果圖
本文基于多模開環(huán)多模諧振器和非對稱耦合線設(shè)計了1款三通帶濾波器,可應(yīng)用于 GSM,GPS和DCS無線通信系統(tǒng).運用奇偶模理論對諧振器進(jìn)行了分析,通過調(diào)節(jié)非對稱耦合線位置,實現(xiàn)對傳輸零點的有效調(diào)控,提高通帶的選擇性和阻帶特性.此濾波器實現(xiàn)了小型化、低損耗、高選擇性的高性能濾波特性,這種濾波器特別適用在多頻帶移動通信系統(tǒng)中,具有一定的商業(yè)價值.
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