0 引言

    微帶帶通濾波器普遍應(yīng)用于衛(wèi)星通信、醫(yī)療和無(wú)線通信系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，對(duì)各類系統(tǒng)中的射頻收發(fā)前端濾波器性能提出了更高的要求，微帶濾波器的小型化和高性能問(wèn)題成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。雙模諧振器用于微帶濾波器設(shè)計(jì)時(shí)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，雙模諧振器具有一對(duì)簡(jiǎn)并模式，通過(guò)在諧振器中加入微擾的方式使得兩個(gè)簡(jiǎn)并模分離，從而等效為兩個(gè)調(diào)諧電路^[1]，即雙模諧振器可以使得濾波器的固有階數(shù)減少一半，故使得濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減小了濾波器的尺寸^[2]，讓濾波器結(jié)構(gòu)更加緊湊。

    微帶貼片諧振器因?yàn)橐子谠O(shè)計(jì)、加工、造價(jià)低、可大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于濾波器和天線的設(shè)計(jì)中。在1972年Wolff首先用圓環(huán)貼片設(shè)計(jì)了微帶雙模濾波器，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究和發(fā)展，現(xiàn)已有的貼片濾波器結(jié)構(gòu)有三角形、方環(huán)形、方形等。陳新偉等^[3]通過(guò)在半圓環(huán)形諧振器加入T型微擾的方法，使得通帶內(nèi)插入損耗小于0.32 dB，帶外衰減大于20 dB；AVINASH K G等^[4]通過(guò)加載四分之一波長(zhǎng)開路短截線和加方形貼片的方式，提高了通帶在高頻和低頻兩側(cè)的選擇性；Zhu Lei^[5]等通過(guò)在方形貼片上開T型十字槽，減小了濾波器的尺寸和回波損耗。

    黃曉東等^[6]采用加載分布式電容的雙模環(huán)形諧振器，在實(shí)現(xiàn)較大耦合量的同時(shí)，保持了諧振器的小型化。孫守家等^[7]通過(guò)加載一對(duì)開路枝節(jié)，來(lái)影響通帶的中心頻率，并且利用源和負(fù)載耦合的方法來(lái)增強(qiáng)源和負(fù)載的耦合強(qiáng)度，從而引入新的傳輸零點(diǎn)。

    本文是從方環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)入手，采用階梯型阻抗方形環(huán)諧振器構(gòu)成的雙模微帶濾波器，因?yàn)榉叫苇h(huán)諧振器本身不僅容易實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)耦合，而且容易降低輻射損耗。在方形環(huán)諧振器上引入一個(gè)方形切角作為微擾，采用輸入/輸出與諧振器直接饋電的方式，并對(duì)其優(yōu)化，優(yōu)化后的濾波器中心頻率為2.2 GHz，最大回波損耗優(yōu)于47.5 dB，3 dB相對(duì)帶寬為18.2%。且濾波器在通帶兩側(cè)均有衰減極點(diǎn)，使得阻帶抑制性能提高。

1 方形雙模濾波器的分析

    圖1為方形貼片諧振器的結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)Wheeler的腔體模型^[8]對(duì)貼片諧振器的理論研究，貼片諧振器上下底面可以等效為理想電壁，其余面可等效為理想磁壁，則正方形貼片諧振器中的場(chǎng)分布如式(1)所示：

2 濾波器的設(shè)計(jì)

2.1 濾波器的結(jié)構(gòu)分析

    本設(shè)計(jì)的方環(huán)形貼片濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示，濾波器由階梯型阻抗方環(huán)形諧振器和方形切角微擾組成。階梯型阻抗的加入使諧振器內(nèi)部的電流流經(jīng)長(zhǎng)度變長(zhǎng)，因?yàn)殡娏鞯沫h(huán)路周長(zhǎng)與諧振器的工作波長(zhǎng)成正比，所以使得諧振器的諧振頻率降低^[9]，減小了濾波器的尺寸。右上方的方形切角作為微擾使得方環(huán)諧振器的正交簡(jiǎn)并模分離。通常把諧振頻率相同但場(chǎng)分布不同的模式稱為簡(jiǎn)并模。饋線采用直接耦合的方式，而不是縫隙耦合的方式，在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合的同時(shí)，減小了輻射損耗，提高了制作精度^[10]。由圖2可看出，本文提出的帶通濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作加工。

2.2 濾波器的性能

    采用上文結(jié)構(gòu)的微帶雙模濾波器，具體設(shè)計(jì)指標(biāo)為：中心頻率f₀=2.2 GHz；通帶為2.0 GHz～2.4 GHz(FBW=18.2%)；帶內(nèi)插損小于0.47 dB；邊帶抑制：對(duì)低端阻帶1.68～1.72 GHz處的抑制達(dá)到35 dB以上，對(duì)高端阻帶2.55～2.66 GHz處的抑制達(dá)到25 dB以上；體積大小為25 mm×25 mm×0.81 mm。

    使用高頻電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真，本文采用的介質(zhì)板材料為Rogers RO4003，其相對(duì)介電常數(shù)為3.55，介質(zhì)基板的厚度h=0.81 mm，金屬層的厚度為0.017 mm，50 Ω微帶饋線的線寬為1.78 mm。本文所設(shè)計(jì)的濾波器中心頻率為2.2 GHz，由此設(shè)置濾波器結(jié)構(gòu)原始參數(shù)a=25 mm，b=3 mm，c=8 mm，d=5 mm，e=3 mm。在固定諧振器其他尺寸的情況下，分析改變環(huán)形寬度b對(duì)濾波器頻率響應(yīng)特性的影響，將環(huán)形寬度分別設(shè)為2 mm、3 mm和4 mm，對(duì)濾波器進(jìn)行全波仿真分析后的得到的頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。

    從圖3可以看出，濾波器通帶兩側(cè)均有衰減極點(diǎn)，隨著環(huán)形寬度的增大，通帶內(nèi)回波損耗減小，兩側(cè)衰減極點(diǎn)均向右移動(dòng)，促使中心頻率向高頻移動(dòng)，并且衰減極點(diǎn)也有所降低，使濾波器的選擇性能提高。

    為了確定方形切角尺寸g對(duì)濾波器頻率響應(yīng)特性的影響，將方形切角的邊長(zhǎng)分別設(shè)置為1 mm、1.5 mm和2 mm，對(duì)濾波器進(jìn)行全波分析后得到的頻率響應(yīng)曲線為圖4所示。

    從圖4可以發(fā)現(xiàn)，方形切角尺寸對(duì)通帶內(nèi)回波損耗S₁₁和通帶左側(cè)的衰減極點(diǎn)均有影響，隨著g的的減小，左側(cè)衰減極點(diǎn)明顯降低。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)濾波器時(shí)應(yīng)選擇合適的切角尺寸。

    為了確定大小階梯型阻抗中高阻抗長(zhǎng)度對(duì)濾波器頻率響應(yīng)特性的影響。分別在大小階梯阻抗中設(shè)置不同的高阻抗長(zhǎng)度，對(duì)濾波器進(jìn)行全波分析后可得雙模濾波器的頻率響應(yīng)曲線如圖5和圖6所示。

    從圖5、圖6中可以看出，大小階梯阻抗中的高阻抗長(zhǎng)度對(duì)通帶兩側(cè)的衰減極點(diǎn)和回波損耗均有較大影響，隨著高阻抗長(zhǎng)度的增加，衰減極點(diǎn)明顯減小，提高了阻帶抑制能力；大階梯阻抗中，隨著高阻抗長(zhǎng)度的增加，回波損耗減小，超過(guò)某個(gè)值時(shí)，又增大，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，應(yīng)選取合適的高阻抗長(zhǎng)度。

    由上述分析可知，在濾波器的設(shè)計(jì)中可以通過(guò)調(diào)整環(huán)形寬度來(lái)調(diào)節(jié)濾波器的頻率和帶寬，然后通過(guò)調(diào)整方形切角尺寸和階梯阻抗中高阻抗的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)通帶兩側(cè)傳輸零點(diǎn)的位置與大小，進(jìn)而優(yōu)化濾波器的回波損耗、插入損耗特性。

3 濾波器測(cè)試

    根據(jù)上述分析與設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化，得到對(duì)應(yīng)于圖2所示雙模濾波器的最終優(yōu)化參數(shù)如表1所示。

    本文中的濾波器加工制作后得到的實(shí)物圖如圖7所示。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試濾波器的S參數(shù)，測(cè)試仿真結(jié)果如圖8，濾波器的3 dB帶寬為400 MHz（相對(duì)帶寬約為18.2%），兩個(gè)極點(diǎn)分別位于1.7 GHz和2.6 GHz，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

    最后在表2中列出了幾類微帶雙模濾波器結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，并與本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。從表2中可以直觀地看出，本文提出的雙模微帶濾波器在結(jié)構(gòu)上比文獻(xiàn)[7]更加簡(jiǎn)單，更易于加工；在性能上比文獻(xiàn)[3]更為優(yōu)良。

4 結(jié)論

    本文提出了一種新的方環(huán)形貼片濾波器結(jié)構(gòu)，通過(guò)在諧振器上引入方形切角來(lái)激勵(lì)簡(jiǎn)并模，使得濾波器具有良好的帶內(nèi)特性；在諧振器上加載階梯型阻抗，可以實(shí)現(xiàn)濾波器在通帶兩側(cè)各具有一個(gè)傳輸零點(diǎn)；采用正交直接饋電方式，減小輻射損耗，提高了制作精度，提升了濾波器的實(shí)用價(jià)值，進(jìn)一步優(yōu)化了濾波器的性能，可被應(yīng)用于S波段衛(wèi)星通信收發(fā)系統(tǒng)中。

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作者信息：

吳  燕1，鄧開樂(lè)1，王代強(qiáng)2

（1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025；2.貴州民族大學(xué)，貴州 貴陽(yáng)550025）