一種圓環(huán)形巴倫帶通濾波器

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(lái),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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)仿真開(kāi)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(guò)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(kāi)路枝節(jié),通過(guò)增加弧線的耦合長(zhǎng)度來(lái)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(kāi)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(kāi)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(wú)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(guò)調(diào)整饋電弧的長(zhǎng)度來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)弧形饋電結(jié)構(gòu)的饋電長(zhǎng)度來(lái)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(wú)線通信領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值。