開路支節(jié)加載的雙模濾波器設(shè)計(jì)

雙模微帶濾波器通過在諧振器中增加微擾的方式激勵(lì)起兩個(gè)簡(jiǎn)并模,用一個(gè)諧振器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)諧振器的功能,在減少濾波器尺寸的同時(shí),降低損耗,并且由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容易設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信和無線通信中。目前應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)有三角形、矩形、圓盤形、圓環(huán)形、矩形環(huán)、矩形曲折環(huán)等。Wolf首先提出圓形雙模微帶結(jié)構(gòu),由于圓形諧振器之間的耦合較難實(shí)現(xiàn),因此較少用于高階的濾波器。方形環(huán)諧振器容易實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)耦合,并且方形環(huán)諧振器是閉合式的,其輻射損耗比半開環(huán)諧振器小。采用在方形環(huán)諧振器中心加載開路支節(jié)的微擾方式,能夠在保持奇模頻率不變的基礎(chǔ)上,通過調(diào)節(jié)開路支節(jié)的尺寸來調(diào)節(jié)偶模頻率,帶寬調(diào)節(jié)更加方便。如果濾波器輸入/輸出與諧振器之間采取直接饋電方式, 不存在難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合的問題,容易實(shí)現(xiàn)寬帶濾波特性,但是此種方式的缺點(diǎn)是阻帶帶寬過窄。如果采用間隙耦合的饋電方式, 又很難實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合,通常濾波器的相對(duì)帶寬都較窄。本文采用階梯阻抗微帶線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輸入/輸出與雙模諧振器之間的強(qiáng)耦合，實(shí)現(xiàn)較大帶寬的濾波器。該濾波器在通帶上下兩側(cè)各具有一個(gè)傳輸零點(diǎn),具有準(zhǔn)橢圓函數(shù)響應(yīng)。

1 雙模方形諧振器分析

本文設(shè)計(jì)的雙模諧振器如圖1所示。

該諧振器能夠產(chǎn)生兩個(gè)諧振模式,可以采用奇偶模法進(jìn)行分析,該諧振器的奇偶模等效電路如圖2所示。在奇模激勵(lì)條件下,對(duì)稱面 T、 T'平面可視為理想電壁,等效為短路,在偶模激勵(lì)條件下, T、 T'平面可視為理想磁壁,等效為開路。

在奇模等效電路中,輸入導(dǎo)納為

Yinodd=Y1jtan(θ1/2).(1)

這里, θ1 =βl1是該微帶線的電長(zhǎng)度。

在偶模等效電路中,輸入導(dǎo)納為

Yineven=jY12Y1tan(θ1/2)+Y2tanθ22Y1-Y2tan(θ1/2)tanθ2.(2)

當(dāng)開路支節(jié)的寬度是諧振環(huán)寬度的兩倍時(shí),即 Y2 =2 Y1時(shí),式(2)變?yōu)?/p>

Yineven=jY1tan(θ1/2+θ2).(3)

式中, θ2 =βd1是該開路支節(jié)的電長(zhǎng)度。

根據(jù)諧振條件 Yin =0, 可以發(fā)現(xiàn):

1) 奇模諧振時(shí), Yinnod =0, 求得奇模諧振頻率為

式中, c為真空中的光速, εeff為基板的相對(duì)介電常數(shù)。式(4)表明,奇模諧振頻率與所加載的開路支節(jié)無關(guān)。

2) 偶模諧振時(shí), Yineven =0, 求得偶模諧振頻率為

從式(5)看出,可以在不影響奇模諧振頻率的情況下,通過調(diào)節(jié)開路支節(jié)的尺寸調(diào)節(jié)偶模的諧振頻率,極大地方便了濾波器帶寬的調(diào)節(jié)。

2 濾波器設(shè)計(jì)

本文采用的介質(zhì)材料為Rogers5880, 相對(duì)介電常數(shù)為2.2, 厚度為0.254 mm, 新型雙模濾波器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

濾波器由中間的全波長(zhǎng)方形環(huán)雙模諧振器和輸入/輸出耦合結(jié)構(gòu)組成。雙模濾波器的帶寬由擾動(dòng)的大小來決定,擾動(dòng)越小帶寬就越小,擾動(dòng)越大帶寬越大。因此可以通過調(diào)整開路支節(jié)的尺寸來控制濾波器的通帶帶寬。為驗(yàn)證上述推論,設(shè)置: L1=11.60 Vmm, L3=12.08 mm, W1=0.78 mm; 開路支節(jié)的寬度是諧振器線寬的兩倍,即 W2=1.56 mm; 其余未做特別標(biāo)注的微帶線特性阻抗均為50 Ω, 即線寬為0.78 mm。固定諧振器的其他尺寸的情況下,分析改變開路支節(jié)對(duì)濾波器帶寬的影響。為更直觀地分析奇偶模諧振頻率,去掉輸入/輸出中的低阻抗部分,采用弱耦合的方式。如果將所加載的開路支節(jié)的長(zhǎng)度分別取1 mm、 2 mm和 3 mm, 對(duì)濾波器進(jìn)行全波分析后得到這3種情況下該雙模濾波器的頻率響應(yīng)曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出,當(dāng)開路支節(jié)的長(zhǎng)度逐漸增大時(shí),奇模諧振頻率幾乎不變,偶模諧振頻率逐漸減小,諧振器的兩個(gè)諧振頻率之間的距離隨之增大。類似的實(shí)驗(yàn)表明,增大開路支節(jié)的寬度也可以增加擾動(dòng)的大小從而減小諧振器的偶模諧振頻率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。另外在上阻帶和下阻帶分別具有一個(gè)衰減極點(diǎn),會(huì)大大改善濾波器的阻帶特性。

增大開路支節(jié)的尺寸可以增大濾波器的帶寬,但隨之而來的問題是通帶內(nèi)的損耗會(huì)變大。為了減小通帶損耗就要增強(qiáng)輸入/輸出與雙模諧振器之間的耦合。實(shí)現(xiàn)輸入/輸出與諧振器之間的強(qiáng)耦合有兩種方式: 一種是采用缺陷接地結(jié)構(gòu), 另一種方式是輸入/輸出采用階梯阻抗微帶線結(jié)構(gòu)。缺陷接地結(jié)構(gòu)不會(huì)額外增加濾波器的面積,但是其缺點(diǎn)是為避免接地的影響,濾波器需要懸置安裝,在此采用第二種方式。

為了確定階梯阻抗線中低阻抗線的尺寸,首先需要分析低阻抗線長(zhǎng)度 L2的大小對(duì)濾波器頻率響應(yīng)特性的影響。將圖3中的低阻抗線的長(zhǎng)度定為 4.5 mm, 寬度分別為2 mm、 3 mm和4 mm, 其他尺寸與之前相同,對(duì)濾波器進(jìn)行全波分析后得到這三種情況下該雙模濾波器的頻率響應(yīng)曲線如圖5所示。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn),低阻抗線寬度變化對(duì)濾波器的通帶頻率與衰減極點(diǎn)的位置幾乎不產(chǎn)生影響,對(duì)插入損耗 S21、 回波損耗 S11有較大的影響。

低阻抗線的寬度定為3 mm, 長(zhǎng)度分別為 3.5 mm、 4.5 mm和5.5 mm, 其他尺寸與之前相同。對(duì)濾波器進(jìn)行全波分析后得到這三種情況下該雙模濾波器的頻率響應(yīng)曲線如圖6所示。

從圖6中可以發(fā)現(xiàn),低阻抗線的長(zhǎng)度 L2對(duì)濾波器頻率有較大影響,隨著 L2的增大,濾波器的通帶中心頻率降低,帶寬減小; 低阻抗線的長(zhǎng)度 L2對(duì)濾波器頻率、插入損耗 S21、 回波損耗 S11均有較大的影響。

由上述分析得出在濾波器設(shè)計(jì)中首先通過調(diào)整諧振器周長(zhǎng)、短路支節(jié)的長(zhǎng)度、低阻抗線的長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)濾波器的頻率與帶寬,然后通過調(diào)整低阻抗線的寬度,改變奇偶模頻率之間的耦合強(qiáng)度,優(yōu)化濾波器的插入損耗與回波損耗特性。

3 濾波器測(cè)試

根據(jù)上述分析與設(shè)計(jì),通過調(diào)整優(yōu)化,得到該雙模濾波器最優(yōu)參數(shù)為: L1=11.60 mm, L2=5.28 mm, L3=12.08 mm, W1=0.78 mm, W2=0.78 mm, W3=3.15 mm, d1=2 mm, S1=0.15 mm。

對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行加工后的實(shí)物圖如圖7所示。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試濾波器的S參數(shù),圖8是仿真和測(cè)試結(jié)果,濾波器的3 dB帶寬為4.74~5.20 GHz(相對(duì)帶寬約為9.38%), 在通帶內(nèi)濾波器的反射損耗均小于-16 dB, 帶外抑制均超過-25 dB。兩個(gè)極點(diǎn)分別位于3.74 GHz與5.32 GHz。測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于開路支節(jié)加載的方形環(huán)諧振器,可以在不影響奇模的前提下,通過改變開路支節(jié)的尺寸控制偶模的頻率,并且該諧振器在通帶上下兩側(cè)各具有一個(gè)傳輸零點(diǎn),通過引入階梯阻抗線的方式可以實(shí)現(xiàn)奇偶模之間的強(qiáng)耦合,實(shí)現(xiàn)較大帶寬的濾波器,該濾波器具有良好的帯內(nèi)特性和選擇性。

審核編輯：湯梓紅