一種新型的雙模雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　該濾波器的兩個(gè)通帶分別由奇模和偶模產(chǎn)生，且具有3個(gè)傳輸零點(diǎn)，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(dá)到-20 dB以下，具有高選擇性和寬阻帶的特性，且濾波器的實(shí)測(cè)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(jià)值。

　　0 引言

　　隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，同時(shí)工作在兩個(gè)或多個(gè)頻段的通信系統(tǒng)成為無(wú)線通信研究的一個(gè)重要方向，因此多頻微波元件是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一，這帶動(dòng)了多頻濾波器技術(shù)的發(fā)展。例如無(wú)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(wú)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(jiǎn)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(wú)線通信中得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)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(jì)了第一個(gè)微帶雙模濾波器，此后人們便開始了對(duì)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(jì)方案，方案是在對(duì)稱T 型開路支節(jié)加載雙模諧振器的基礎(chǔ)上，先對(duì)其奇偶模原理進(jìn)行了分析，接著對(duì)雙模諧振器的電場(chǎng)分布和電流分布進(jìn)行分析，最后設(shè)計(jì)出了一個(gè)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(duì)其進(jìn)行了耦合原理分析和耦合間距對(duì)帶寬的影響的分析。最后實(shí)測(cè)效果很好，在帶外產(chǎn)生了3個(gè)傳輸零點(diǎn)，上阻帶具有較好的帶外抑制。最后的仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果非常吻合，具有很好的一致性。

　　1 對(duì)稱T 型開路支節(jié)加載分析

　　本文所提出的對(duì)稱T 型開路支節(jié)加載的雙模諧振器是由一個(gè)半波長(zhǎng)階躍阻抗諧振器和兩個(gè)對(duì)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(duì)稱面AA′有對(duì)稱的特性，可以利用經(jīng)典的奇偶模分析法來(lái)對(duì)該諧振器的諧振頻率進(jìn)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(lì)時(shí)，對(duì)稱面是電壁，對(duì)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(lì)時(shí)，對(duì)稱面是磁壁，對(duì)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(shí)，奇模激勵(lì)時(shí)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(duì)稱T型開路支節(jié)無(wú)關(guān)。同理，當(dāng)偶模激勵(lì)時(shí)，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(duì)稱T型開路支節(jié)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，偶模諧振頻率會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，而對(duì)奇模的諧振頻率沒(méi)有影響。

　　圖2 顯示了該雙模諧振器的奇模和偶模的電場(chǎng)分布圖。

　　如圖2（a）所示，奇模的電場(chǎng)分布主要分布在階梯阻抗諧振器的左邊和右邊，而且是對(duì)稱的。而在對(duì)稱T型開路支節(jié)這部分沒(méi)有場(chǎng)強(qiáng)分布，顯然和支節(jié)加載部分無(wú)關(guān)。

　　同樣，從圖2（b）中可以看到，階梯阻抗諧振器和對(duì)稱T型支節(jié)都分布有電場(chǎng)，而且電場(chǎng)是關(guān)于對(duì)稱面AA′對(duì)稱的，這就是偶模的電場(chǎng)分布。因此，對(duì)稱T型支節(jié)對(duì)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(duì)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(duì)稱T型支節(jié)對(duì)奇模是沒(méi)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(gè)雙模諧振器都有電流分布。從圖中可以觀察到，電流從兩個(gè)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(duì)稱面AA′對(duì)稱。

　　2 濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例

　　為了驗(yàn)證以上的理論分析，采用文中所討論的雙模諧振器設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于WLAN/WiMAX的雙模雙通帶濾波器。濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：第一個(gè)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.

　　基于以上設(shè)計(jì)指標(biāo)，首先根據(jù)給定的第一通帶的中心頻率確定半波長(zhǎng)諧振器的尺寸，而后調(diào)節(jié)對(duì)稱T型開路支節(jié)長(zhǎng)度，大致達(dá)到第二通帶的中心頻率。通過(guò)建模仿真，最終確定了諧振器的物理尺寸，得到濾波器的版圖如圖4所示，尺寸大小為14.03 mm×31.48 mm，對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng)為0.15λg × 0.34λg，總的面積為0.051λ2g，其具體的物理尺寸如下：

　　W0 = 1.54 mm，Wt = 0.57 mm，Lt = 3.12 mm，S =0.99 mm，W1 = 0.8 mm，W2 = 2.46 mm，W3 = 0.72 mm，W4 =0.94 mm，L1 = 19.47 mm，L2 = 4.12 mm，L3 = 2.63 mm，L4 = 3.33 mm，L5 = 0.79 mm，L6 = 17.86 mm.

　　由圖4 可知，源/負(fù)載與第一/二個(gè)雙模諧振器采用的是抽頭饋線耦合，兩雙模諧振器的兩邊支臂相互耦合。這樣的結(jié)構(gòu)有利于兩個(gè)通帶的調(diào)節(jié)和結(jié)構(gòu)的緊湊。

　　雙模諧振器級(jí)聯(lián)的耦合原理如圖5所示。圖中的S 表示源，L 表示負(fù)載。

　　從圖5中可以看出，源與第一個(gè)諧振器和第二個(gè)諧振器的奇模偶模都有耦合，負(fù)載也與第一個(gè)諧振器和第二個(gè)諧振器的奇模偶模都有耦合。第一個(gè)諧振器的奇模與第二個(gè)諧振器的奇模耦合，構(gòu)成第一個(gè)通帶；第一個(gè)諧振器的偶模與第二個(gè)諧振器的偶模耦合，構(gòu)成第二個(gè)通帶，這樣就形成了一個(gè)雙模雙通帶的濾波器。

　　圖6 顯示了濾波器在不同間距S 的情況下帶寬的特性?？梢钥吹剑詈祥g距S 能有效地調(diào)節(jié)濾波器的帶寬特性，當(dāng)間距S 從0.6 mm增加到1.1 mm時(shí)，濾波器的兩個(gè)帶寬明顯減小。因此可以調(diào)節(jié)S 參數(shù)來(lái)得到想要的帶寬，而且濾波器的其它特性幾乎不變。

　　圖7為該雙模濾波器的仿真結(jié)果，此結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。第一個(gè)通帶的中心頻率為2.45 GHz，第二個(gè)通帶的中心頻率為3.52 GHz，它們的帶內(nèi)的反射系數(shù)都小于-20 dB，而且在帶外產(chǎn)生了三個(gè)零點(diǎn)TZ1，TZ2 ， TZ3，其頻率分別為1.98 GHz，2.93 GHz，3.935 GHz，其衰減分別為-54.3 dB，-40.7 dB，-58.1 dB.而且在上阻帶3.78~-6.94 GHz內(nèi)，其衰減達(dá)到-20 dB 以下，具有非常好的帶外抑制能力。

　　圖8為加工實(shí)物圖，可以看到其尺寸比傳統(tǒng)的雙通帶濾波器小很多，說(shuō)明雙模諧振器具有小型化的優(yōu)點(diǎn)。

　　這里使用的測(cè)試儀器為Agilent 公司的E5071C 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，在常溫條件下對(duì)制作的雙模濾波器進(jìn)行測(cè)試，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合，如圖9所示。

　　從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，中心頻率分別為2.44 GHz 和3.48 GHz，3 dB帶寬分別為10.7%和6.9%，對(duì)應(yīng)的插入損耗為0.76 dB 和1.13 dB，帶內(nèi)反射分別優(yōu)于19.2 dB 和15.1 dB.帶外產(chǎn)生了三個(gè)零點(diǎn)TZ1，TZ2，TZ3，其頻率分別為1.96 GHz，2.94 GHz，3.91 GHz，其衰減分別為-53.8 dB，-43.9 dB，-45.6 dB.在上阻帶3.75~7.33 GHz內(nèi)，其衰減達(dá)到-20 dB 以下。由此可見(jiàn)，雙模雙通帶濾波器的性能非常好。

　　3 結(jié)論

　　本文提出了一種新型應(yīng)用于WLAN/WiMAX 的雙模雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)方案，方案是在對(duì)稱T 型開路支節(jié)加載雙模諧振器的基礎(chǔ)上，先對(duì)其奇偶模原理進(jìn)行了分析，接著對(duì)電場(chǎng)分布和電流分布分析，最后設(shè)計(jì)出了一個(gè)應(yīng)用于WLAN 和WiMAX 頻段的尺寸小、性能好的雙模雙通帶濾波器。此雙模濾波器的兩個(gè)通帶是獨(dú)立可控的，可分別通過(guò)調(diào)節(jié)奇模偶模來(lái)實(shí)現(xiàn)。本方案所設(shè)計(jì)的濾波器在帶外實(shí)現(xiàn)了3個(gè)傳輸零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了寬阻帶抑制。并通過(guò)仿真、加工、測(cè)試，最后的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果一致性很好，完全達(dá)到了方案設(shè)計(jì)要求。這種插損低、尺寸小、高選擇性的新型雙模結(jié)構(gòu)，具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

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