半圓環(huán)形雙模帶通濾波器的設(shè)計(jì)

陳新偉，段美玲，雷致萍

（1.山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院，山西太原 030006；2.山西大學(xué)外國(guó)語學(xué)院，山西太原 030006）

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，研制高選擇性小型化的微帶濾波器成為下一代移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的迫切需求.實(shí)現(xiàn)微帶濾波器的小型化主要有以下途徑：使用高介電常數(shù)的介質(zhì)板、設(shè)計(jì)合適的濾波器結(jié)構(gòu)和采用多模諧振器.其中微帶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)，已成為下一代無線通信系統(tǒng)的主要應(yīng)用對(duì)象.實(shí)現(xiàn)相同階數(shù)的濾波器，雙模帶通濾波器所需要的諧振器數(shù)目比普通單模濾波器所需要的諧振器數(shù)目減半，可以減小尺寸，從而達(dá)到小型化的目的.雙模帶通濾波器首先被Wolff提出［1］，此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者又提出了很多種雙模濾波器［2－7］，文獻(xiàn)［2－3］給出了新穎結(jié)構(gòu)的雙模帶通濾波器，文獻(xiàn)［4］通過抑制寄生通帶獲得了寬阻帶的雙模濾波器，文獻(xiàn)［5－7］為了增加通帶的選擇性，研究了傳輸零點(diǎn)的引入方法.

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為2.4 GHz的微帶雙模濾波器，由一個(gè)半圓環(huán)形的諧振器和一個(gè)T型微擾組成.T型結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)可以調(diào)節(jié)的參數(shù)，增加了調(diào)整雙模的自由度，可以改變諧振器的奇偶模諧振頻率；并且通過增加輸入和輸出之間的耦合，可以在通帶兩邊引入兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，從而改善濾波器的通帶特性，提高其選擇性.

1 半圓環(huán)形雙模濾波器的分析

1.1 雙模濾波器的結(jié)構(gòu)

圖1 雙模帶通濾波器結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of dual－mode bandpass filter

圖1為半圓環(huán)形雙模帶通濾波器結(jié)構(gòu)，它由全波長(zhǎng)半圓環(huán)形諧振器和T型微擾構(gòu)成，設(shè)計(jì)的濾波器制作在Rogers 5880，介電常數(shù)為2.2，襯底厚度為0.787 mm的襯底上.T型微擾結(jié)構(gòu)具有高度和長(zhǎng)度兩個(gè)可調(diào)參數(shù)，增加了調(diào)整雙模的自由度.半圓環(huán)形雙模濾波器采用左右對(duì)稱抽頭耦合，并且頂端增加兩條平行微帶線結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)平行微帶線的長(zhǎng)度和間隔，可以改變傳輸零點(diǎn)的位置.

1.2 雙模濾波器的等效電路

圖2 半圓環(huán)諧振器等效電路Fig.2 The equivalent circuit of the semi－ring resonator

在圖2（a）奇模等效電路中，負(fù)載ZL短路，諧振條件為：Yino＝0，則奇模諧振頻率滿足式（1）

在圖2（b）偶模等效電路中，負(fù)載ZL開路，諧振條件為：Yine＝0，則偶模諧振頻率滿足式（2）

2 半圓環(huán)形雙模濾波器的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的濾波器中心頻率為2.4 GHz，半圓環(huán)形諧振器為全波長(zhǎng)諧振器，其長(zhǎng)度由式（3）確定

計(jì)算得出半圓環(huán)形諧振器的長(zhǎng)度為94 mm.諧振器的雙模頻率選為2.3 GHz和2.48 GHz，由上述分析得半圓環(huán)形諧振器及輸入輸出耦合線的寬度w1均為0.7 mm，T型微擾的高度g為1.2 mm，長(zhǎng)度ch為3.9 mm，輸入輸出微帶線與半圓環(huán)形諧振器的耦合縫隙w4為0.2 mm，輸入輸出微帶線頂端直接耦合部分間距w3為2 mm.傳輸線的阻抗選為50Ω，寬度w2為2.4 mm.

2.1 T型微擾對(duì)雙模頻率的影響

半圓環(huán)形諧振器電長(zhǎng)度保持不變，研究T型微擾高度g及長(zhǎng)度ch對(duì)雙模的影響.

圖3所示為長(zhǎng)度ch的電長(zhǎng)度一定，高度g取不同值時(shí)雙模的諧振頻率，圖3中表明高度g增加時(shí)，偶模頻率逐漸降低，奇模頻率變化很小.圖4所示為高度g一定，長(zhǎng)度ch取不同值時(shí)雙模的諧振頻率，圖4中表明隨著長(zhǎng)度ch的增大，偶模頻率逐漸降低，奇模頻率變化很小.

圖4 不同ch下的奇偶模諧振頻率Fig.4 The odd and even resonator frequencies for different ch

圖3 不同g下的奇偶模諧振頻率Fig.3 The odd and even resonator frequencies for different g

2.2 輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)對(duì)傳輸零點(diǎn)的影響

T型微擾雙模濾波器的輸入輸出之間有兩條傳輸路徑，在某一頻率上，兩條傳輸路徑傳輸?shù)男盘?hào)幅度相同，相位相反，輸出端信號(hào)疊加產(chǎn)生了傳輸零點(diǎn).半圓環(huán)形濾波器采用諧振器縫隙耦合和直接耦合的結(jié)構(gòu)，可以方便地調(diào)節(jié)濾波器傳輸零點(diǎn)的位置，從而改善帶外特性.在此研究直接耦合微帶線長(zhǎng)度b和平行微帶線間距w3對(duì)傳輸零點(diǎn)的影響.

圖5為直接耦合微帶線長(zhǎng)度一定，間距w3取不同值時(shí)的S參數(shù)曲線，圖5中表明隨著間距的減小，兩傳輸零點(diǎn)靠近通帶中心，提高了通帶的選擇性；圖6為直接耦合微帶線間距w3一定，長(zhǎng)度b取不同值時(shí)的S參數(shù)曲線，圖6中表明隨著長(zhǎng)度的增大，兩傳輸零點(diǎn)同時(shí)向左偏移，且濾波器的中心頻率保持不變.

圖6 不同b下的S21Fig.6 The S21 for different b

圖5 不同w3下的S21Fig.5 The S21 for different w3

3 仿真結(jié)果

根據(jù)圖1所設(shè)計(jì)的中心頻率為2.4 GHz的半圓環(huán)形雙模濾波器，在軟件HFSS中建立模型并進(jìn)行電磁全波仿真.圖1中的各部分參數(shù)為r1＝17.42 mm，w1＝0.7 mm，g＝1.2 mm，ch＝3.9 mm，w1＝0.70 mm，w4＝0.2 mm，w3＝2 mm，w2＝2.4 mm.仿真結(jié)果如圖7所示.仿真的中心頻率為2.4 GHz，相對(duì)帶寬為10.5%，通帶內(nèi)插入損耗為0.32 dB，奇偶模諧振頻率分別為2.37 GHz和2.48 GHz，兩個(gè)傳輸零點(diǎn)位于2.12 GHz和2.78 GHz，帶外衰減大于20 dB.

4 結(jié) 論

圖7 仿真結(jié)果Fig.7 The simulated results

本文提出了一種雙模帶通濾波器結(jié)構(gòu)，通過在圓環(huán)形諧振器內(nèi)部增加一個(gè)T型微擾產(chǎn)生雙模特性，改變T型微擾的兩個(gè)可調(diào)參數(shù)，可以改變諧振器的奇偶模諧振頻率，并且通過增加輸入和輸出之間的耦合，可以在通帶兩邊引入兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，提高了通帶的選擇性.仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的濾波器工作在2.4 GHz，相對(duì)帶寬為10.5%，通帶內(nèi)插入損耗低于0.32 dB，帶外衰減大于20 dB.

［1］ Wolff I.Microstrip bandpass filter using degenerate modes of a microstrip circle resonator［J］.Electron.Lett.，1972，8（12）：302－303.

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