開(kāi)路枝節(jié)加載雙模微波濾波器研究

王鑫亮，李　晶，劉　潔，位朝壘

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北諾亞人力資源開(kāi)發(fā)有限公司，河北 石家莊 050001)

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開(kāi)路枝節(jié)加載雙模微波濾波器研究

王鑫亮1，李晶1，劉潔2，位朝壘1

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北諾亞人力資源開(kāi)發(fā)有限公司，河北 石家莊 050001)

摘要為了使信道中微波濾波器更加小型化，雙模濾波器逐漸成為研究熱點(diǎn)，綜合研究了源與負(fù)載間存在耦合的開(kāi)路枝節(jié)加載雙模濾波器的頻響規(guī)律。通過(guò)傳輸零點(diǎn)理論推測(cè)了此類雙模濾波器固有傳輸零點(diǎn)的分布規(guī)律，通過(guò)各通路信號(hào)的相位關(guān)系，在理論上推測(cè)了附加傳輸零點(diǎn)的分布規(guī)律。通過(guò)2種該類型濾波器實(shí)例驗(yàn)證了理論推測(cè)的正確性，使該類型濾波器趨于完備。

關(guān)鍵詞濾波器；雙模；枝節(jié)加載；S-L couple

0引言

濾波器是信道系統(tǒng)中的重要器件，其性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。雙模濾波器是極具發(fā)展前景的研究熱點(diǎn)，在半波長(zhǎng)諧振器中心加載開(kāi)路枝節(jié)可在諧振器基模附近引入一新模式，調(diào)整開(kāi)路枝節(jié)尺寸使2個(gè)模式諧振頻率相近，從而構(gòu)成奇偶模雙模諧振器[1]。若源與負(fù)載之間引入直接耦合(S-L coupling)，可形成廣義切比雪夫類型的頻率響應(yīng)[2]。本文將以六邊形開(kāi)路枝節(jié)加載雙模濾波器為例，綜合研究開(kāi)路枝節(jié)加載雙模濾波器的頻響特性，通過(guò)傳輸零點(diǎn)理論推測(cè)此類雙模濾波器固有傳輸零點(diǎn)的分布規(guī)律[3]。通過(guò)濾波器中各通路信號(hào)的相位關(guān)系，在理論上分析S-L coupling濾波器的附加傳輸零點(diǎn)的分布規(guī)律。最后加工并測(cè)試該類型濾波器，驗(yàn)證S-L coupling開(kāi)路枝節(jié)加載雙模濾波器理論推測(cè)的正確性。

1設(shè)計(jì)原理

六邊形S-L coupling開(kāi)路枝節(jié)加載雙模濾波器如圖1所示，模諧振器由六邊形半波長(zhǎng)諧振器和六邊形開(kāi)路加載枝節(jié)構(gòu)成。開(kāi)路枝節(jié)在主諧振頻率處引入另一傳輸極點(diǎn)，與主諧振頻率構(gòu)成雙模諧振器[4]。

圖1　六邊形開(kāi)路枝節(jié)加載雙模濾波器結(jié)構(gòu)

1.1諧振器電場(chǎng)分布

該諧振器具有對(duì)稱性，可用奇偶模理論分析。諧振器的電場(chǎng)分布仿真結(jié)果如圖2所示。圖2(a)為奇模諧振的電場(chǎng)分布，電場(chǎng)主要集中于主諧振器兩端，反對(duì)稱分布，即相位差180°，主諧振器中間部分和開(kāi)路枝節(jié)上無(wú)電場(chǎng)分布，類似于無(wú)加載枝節(jié)諧振器。因此，開(kāi)路枝節(jié)尺寸不影響奇模諧振頻率。圖2(b)為偶模諧振的電場(chǎng)分布，主諧振器與開(kāi)路枝節(jié)均存在電場(chǎng)，電場(chǎng)對(duì)稱分布，即相位差為0°。

圖2　雙模濾波器電場(chǎng)分布

開(kāi)路枝節(jié)加載雙模濾波器具有一個(gè)固有傳輸零點(diǎn)，引入S-L coupling可再產(chǎn)生一個(gè)附加傳輸零點(diǎn)，模式耦合圖如圖3所示[5]，奇模諧振時(shí)兩臂的電場(chǎng)方向相反，耦合系數(shù)反號(hào)；偶模諧振時(shí)兩臂電場(chǎng)方向相同，耦合系數(shù)同號(hào)。

圖3　耦合模式

1.2固有零點(diǎn)分析

開(kāi)路枝節(jié)加載雙模濾波器的固有零點(diǎn)可用耦合矩陣來(lái)進(jìn)行理論分析：

(1)

固有傳輸零點(diǎn)位置可由下式來(lái)表達(dá)[6]：

(2)

Ωinh>0和Ωinh<0分別表示零點(diǎn)在高阻帶和低阻帶。輸入輸出端口附近的奇模場(chǎng)強(qiáng)大于偶模場(chǎng)強(qiáng)，即M1S>M2S，分子不可能為零，所以必定存在有限頻率的傳輸零點(diǎn)，即固有傳輸零點(diǎn)。奇偶模諧振頻率的表達(dá)式為[7]：

(3)

(4)

與式(2)聯(lián)立得

(5)

Ωinh·(feven-f0)必大于0，所以固有零點(diǎn)位于高阻帶。

1.3附加零點(diǎn)分析

附加零點(diǎn)可由濾波器的各路信號(hào)的相位關(guān)系來(lái)分析，同樣由于輸入輸出端口附近的奇模場(chǎng)強(qiáng)大于偶模場(chǎng)強(qiáng)，只考慮源-奇模-負(fù)載、源-負(fù)載2條通路上的信號(hào)相位。阻帶上的信號(hào)相移與通帶頻率相對(duì)位置相關(guān)[7-8]，下阻帶相移為-90°，上阻帶相移為+90°[9]；容性S-L coupling相移為-90°，感性S-L coupling相移為+90°[10]。相位關(guān)系如表1所示，容性和感性S-L coupling開(kāi)路枝節(jié)加載雙模濾波器分別在高阻帶和低阻帶存在附加零點(diǎn)。具有S-L coupling開(kāi)路枝節(jié)加載雙模濾器所有可能的頻響曲線如表2所示，改變諧振器開(kāi)路枝節(jié)尺寸與S-L coupling極性可形成不同的頻響曲線，從而使此類型濾波器設(shè)計(jì)更靈活。

表1　濾波器各通路信號(hào)的相對(duì)相移

表2　開(kāi)路枝節(jié)加載雙模濾波器可能的頻率響應(yīng)曲線

2實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證前述理論推測(cè)，加工并測(cè)試了圖1中形狀為六邊形的開(kāi)路枝節(jié)加載雙模濾波器，僅以fodd

圖4　濾波器A的仿真S21曲線

濾波器A為開(kāi)路枝節(jié)加載并引入容性S-L coupling，由于fodd

圖5　濾波器A測(cè)試曲線

尺寸參數(shù)：lp=2 mm，l2=11.55 mm，w=0.73 mm，r2=5 mm，s=0.22 mm和s2=1 mm。中心頻率為2.8 GHz，帶寬為0.22 GHz，2個(gè)零點(diǎn)位于3.25 GHz和4.65 GHz，均在高阻帶，與理論推測(cè)吻合。

濾波器B為感性S-L coupling開(kāi)路枝節(jié)加載雙模濾器，固有零點(diǎn)和附加零點(diǎn)應(yīng)位于通帶兩側(cè)。濾波器B頻響曲線與S-L coupling結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖6所示。圖6(a)中，s2從3.5 mm變化到0.5 mm，固有零點(diǎn)不動(dòng)，附加零點(diǎn)由0.85 GHz變化到1.9 GHz；圖6(b)中，lp從1 mm變化到7 mm，固有零點(diǎn)不動(dòng)，附加零點(diǎn)由0.85 GHz變化到1.65 GHz。

圖6　濾波器B仿真S21曲線

濾波器尺寸參數(shù)：w=0.73 mm，lp=4 mm，l3=8 mm，l2=11.5 mm，r3=0.3 mm，r2=5 mm，s=0.18 mm和s2=1.5 mm。濾波器B測(cè)試曲線如圖7所示，中心頻率為3 GHz，帶寬為0.285 GHz，附加零點(diǎn)和固有零點(diǎn)在1.63 GHz與3.3 GHz，分列通帶兩側(cè)。除了稍微的頻偏，仿真與測(cè)試曲線與理論推測(cè)一致[11]。

圖7　濾波器B測(cè)試曲線

3結(jié)束語(yǔ)

本文綜合研究了開(kāi)路枝節(jié)加載雙模濾波器的頻率響應(yīng)規(guī)律，分析了固有傳輸零點(diǎn)的產(chǎn)生原理和分布規(guī)律。通過(guò)引入S-L coupling，使濾波器再產(chǎn)生一個(gè)附加傳輸零點(diǎn)，分析了附加傳輸零點(diǎn)的產(chǎn)生原理和分布規(guī)律，在理論上推測(cè)了該類型雙模濾波器所有的頻響類型，最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了理論推測(cè)的正確性。本文的研究?jī)?nèi)容可使雙模濾波器的設(shè)計(jì)更加靈活，性能更好。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.13

收稿日期：2016-03-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61308061)。

中圖分類號(hào)TP

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)07-0049-03

作者簡(jiǎn)介

王鑫亮男，(1984—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波射頻技術(shù)。

李晶女，(1981—)，博士，工程師。主要研究方向：激光通信技術(shù)。

Study of Open Stub Loaded Dual-mode Microwave Filters

WANG Xin-liang1，LI Jing1，LIU Jie2，WEI Chao-lei1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.HebeiNoahHumanResourcesDevelopmentCo.,Ltd,ShijiazhuangHebei050001,China)

AbstractThe open stub loaded dual-mode microwave filters with source-load coupling(S-L coupling)are studied.The distribution rules of inherent transmission zeroes are studied by the transmission zero theory.The distribution rules of the extra transmission zeroes are studied theoretically by the phase relation of all signal paths of the dual-mode filter with S-L coupling.Finally,the open stub-loaded dual-mode filters are validated by two filter instances.The research of this paper makes the open stub-loaded dual-mode filter approach perfect.

Key wordsfilter;dual-mode;stub-loaded;S-L couple

引用格式：王鑫亮,李晶,劉潔,等.開(kāi)路枝節(jié)加載雙模微波濾波器研究[J].無(wú)線電工程,2016,46(7):49-51，70.