一種新型的雙模雙通帶濾波器的設(shè)計方案

　　該濾波器的兩個通帶分別由奇模和偶模產(chǎn)生，且具有3個傳輸零點，帶內(nèi)插損分別為0.76 dB/1.13 dB，帶內(nèi)反射分別為-19.2 dB/-15.1 dB，在3.75~7.33 GHz內(nèi)，其衰減達到-20 dB以下，具有高選擇性和寬阻帶的特性，且濾波器的實測結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合。該雙模濾波器具有非常小的尺寸，大小為14.03 mm×31.48 mm，即0.15 λg ×0.34 λg，所以本方案在工程領(lǐng)域非常具有應(yīng)用價值。

　　0 引言

　　隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，同時工作在兩個或多個頻段的通信系統(tǒng)成為無線通信研究的一個重要方向，因此多頻微波元件是近年來的研究熱點之一，這帶動了多頻濾波器技術(shù)的發(fā)展。例如無線局域網(wǎng)（WLAN）和寬帶互通微波接入（WiMAX）等。目前的WLAN 主要工作在2.45 GHz（2.4~2.484 GHz）、5.2 GHz（5.15~5.35 GHz）和5.8 GHz（5.725~5.825 GHz），而WiMAX工作在2.5 GHz（2.5~2.69 GHz）、3.5 GHz （3.4~3.69 GHz）和5.5 GHz（5.25~5.85 GHz）。另一方面，具有小型化、低成本、易制作等特性的多頻段濾波器已經(jīng)成為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中最重要的電路組成器件之一。

　　微帶雙模濾波器由于結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、成本低、易于集成、插入損耗低，且固有的階數(shù)是傳統(tǒng)濾波器階數(shù)的一半，能夠減小尺寸，使結(jié)構(gòu)更緊湊，因此在衛(wèi)星通信和無線通信中得到了廣泛的應(yīng)用，同時受到了許多研究人員的關(guān)注和重視。在20世紀(jì)70年代，Wolff首次提出并設(shè)計了第一個微帶雙模濾波器，此后人們便開始了對微帶雙模濾波器的研究，其在濾波器領(lǐng)域扮演著重要角色。

　　本文一種新型應(yīng)用于WLAN/WiMAX 的雙模雙通帶濾波器的設(shè)計方案，方案是在對稱T 型開路支節(jié)加載雙模諧振器的基礎(chǔ)上，先對其奇偶模原理進行了分析，接著對雙模諧振器的電場分布和電流分布進行分析，最后設(shè)計出了一個應(yīng)用于WLAN 和WiMAX 頻段的雙通帶濾波器，其中心頻率分別為2.4 GHz和3.5 GHz，并對其進行了耦合原理分析和耦合間距對帶寬的影響的分析。最后實測效果很好，在帶外產(chǎn)生了3個傳輸零點，上阻帶具有較好的帶外抑制。最后的仿真和實驗測量結(jié)果非常吻合，具有很好的一致性。

　　1 對稱T 型開路支節(jié)加載分析

　　本文所提出的對稱T 型開路支節(jié)加載的雙模諧振器是由一個半波長階躍阻抗諧振器和兩個對稱的T型開路枝節(jié)組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。

　　由于該結(jié)構(gòu)關(guān)于對稱面AA′有對稱的特性，可以利用經(jīng)典的奇偶模分析法來對該諧振器的諧振頻率進行分析。根據(jù)雙模諧振器模型，這種結(jié)構(gòu)具有兩種諧振模式，即奇模諧振模式與偶模諧振模式。

　　以奇模電壓源激勵時，對稱面是電壁，對稱面AA′的電壓為零，等效為短路狀態(tài)，相應(yīng)的等效電路如圖1（b）所示。

　　以偶模電流源激勵時，對稱面是磁壁，對稱面AA′處電流為零，等效為開路狀態(tài)，相應(yīng)的等效電路如圖1（c）所示。

　　當(dāng)忽略諧振器不連續(xù)性時，奇模激勵時的輸入阻抗Zinodd 可以表示為：

　　其諧振條件為Zinodd =∞。從公式（1）可以看出，奇模諧振頻率只與θ1，θ2 ，Z1，Z2 有關(guān)，與中間對稱T型開路支節(jié)無關(guān)。同理，當(dāng)偶模激勵時，可以得到偶模的諧振頻率與中間T型開路支節(jié)有關(guān)，當(dāng)中間對稱T型開路支節(jié)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，偶模諧振頻率會發(fā)生相應(yīng)的變化，而對奇模的諧振頻率沒有影響。

　　圖2 顯示了該雙模諧振器的奇模和偶模的電場分布圖。

　　如圖2（a）所示，奇模的電場分布主要分布在階梯阻抗諧振器的左邊和右邊，而且是對稱的。而在對稱T型開路支節(jié)這部分沒有場強分布，顯然和支節(jié)加載部分無關(guān)。

　　同樣，從圖2（b）中可以看到，階梯阻抗諧振器和對稱T型支節(jié)都分布有電場，而且電場是關(guān)于對稱面AA′對稱的，這就是偶模的電場分布。因此，對稱T型支節(jié)對奇模諧振頻率不產(chǎn)生影響，只影響偶模諧振頻率。

　　圖3 顯示了對稱T 型支節(jié)加載諧振器的電流分布圖。

　　如圖3（a）所示，表面電流主要分布在階梯諧振器的左邊和右邊，電流是從右邊支節(jié)流向左邊支節(jié)，而且對稱T型支節(jié)對奇模是沒有影響的，這就是奇模的電流分布特性。

　　圖3（b）顯示了偶模的電流分布，整個雙模諧振器都有電流分布。從圖中可以觀察到，電流從兩個T型支節(jié)流入階梯阻抗諧振器，再流向兩端的支節(jié)，而且關(guān)于對稱面AA′對稱。

　　2 濾波器設(shè)計實例

　　為了驗證以上的理論分析，采用文中所討論的雙模諧振器設(shè)計了一個應(yīng)用于WLAN/WiMAX的雙模雙通帶濾波器。濾波器的設(shè)計指標(biāo)為：第一個通帶的中心頻率為2.4 GHz，應(yīng)用于WLAN頻段；第二通帶的中心頻率為3.5 GHz，應(yīng)用于WiMAX頻段；帶內(nèi)插入損耗小于1 dB，帶內(nèi)回波損耗都為-20 dB，在上阻帶3.8~6.9 GHz內(nèi)，抑制要大于20 dB.采用的介質(zhì)板的介電常數(shù)為2.2，厚度為0.508 mm，損耗角正切tan δ =0.000 9，銅箔厚度為0.018 mm.