留黎欽，翁敏航

(莆田學院 信息工程學院，福建 莆田 351100)

從20世界90年代開始至今，無線通信系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，同時用于通信系統(tǒng)的頻譜資源也越來越緊缺，如何充分利用頻率資源已成為研究的熱點。良好的帶通濾波器可以有效的利用頻譜資源。由于低功耗和高數(shù)據(jù)傳輸率的優(yōu)點，寬帶濾波器設計引起了廣大學者的極大興趣，同時在過去20年學術界和工業(yè)界發(fā)表了許多重要研究成果。

過去，有學者已經(jīng)提出了幾種達到寬帶濾波器要求的諧振器結構，例如使用多模諧振器(multi mode，MMR)、步階阻抗諧振器(step impedance resonator，SIR)或缺陷接地結構(defected ground structure，DGS)。LAN等[1]學者利用模激諧振器研制了具有極寬阻帶的超寬頻帶帶通濾波器。SANDIP等[2]設計了c形和e形兩種不同類型的帶隙諧振腔,從而實現(xiàn)了具有良好選擇性的超寬帶帶通濾波器。LIU[3]等學者在設計超寬帶設計中使用了缺陷接地結構，但這種結構往往會破壞信號的完整性。LI[4]使用不同的開/短路的載片諧振器設計來設計具有阻帶的超寬帶帶通濾波器。DILIP等[5]提出了一種基于分裂環(huán)和矩形短截的寬帶帶通濾波器。但是，帶寬不夠大，沒有提供阻帶。JI等[6]提出了一種采用多層結構的寬帶帶通濾波器，但設計過程和器件結構比較復雜。LI[7]利用復合串聯(lián)諧振器和并聯(lián)諧振器，直接設計了寬帶BPF。MUSAB[8]利用波導腔內的多模分裂環(huán)形諧振器實現(xiàn)了寬帶BPF。然后設計寬帶濾波器而不使用復雜的設計過程，同時實現(xiàn)良好的頻帶選擇性和微小化尺寸仍是一個挑戰(zhàn)。

本文提出的濾波器由兩個四分之一波長的步階阻抗諧振器組成，按照混合耦合的方式排列，輸入輸出端由直接饋入以提供足夠的耦合能量組成，結構非常簡單，可以實現(xiàn)中心頻率為2.2 GHz，具有1.5～2.9 GHz的通帶。為了驗證設計理論，我們制造并量測濾波器，體積上實現(xiàn)了微小化，仿真結果與測量結果大致上具有良好一致性。

1 四分之一波長SIR設計

本文中的濾波器具有簡單的混合耦合結構，由兩個四分之一波長的步階阻抗諧振器組成。用FR4基板設計和制造帶通濾波器，其厚度(h)為0.8 mm，介電常數(shù)(εr)為4.4，損耗角正切(tanδ)為0.02。該濾波器的結構圖如圖1所示。

圖1 四分之一波長的寬帶寬阻帶帶通濾波器的結構Fig.1 Structure of the quarter wavelength wideband bandpass filter

1.1 四分之一波長步階阻抗諧振器諧振分析

(1)

圖2 諧振器的結構圖和諧振圖Fig.2 Structure diagram of the resonator and resonance diagram

當Yin= 0時，得到通帶諧振條件：

tanθ1tanθ2=K

(2)

θ1和θ2之間的關系可以得出：

θ1=(1-α)·θt

(3a)

θ2=α·θt

(3b)

K=tan[(1-α)·θt]·tan(α·θt)

(4)

等式(4)表示阻抗比(K)、改變總電長度(θt)和電子長度比(α)之間的關系。四分之一波長的步階阻抗諧振特性如圖2 (b)諧振圖 。步階阻抗諧振器可以通過確定阻抗比(K)和電子長度比(α)來有效地移動更高階的諧振模式。通過這種方法來確定SIR的諧振頻率，可以很方便地實現(xiàn)具有寬阻帶或多通帶的帶通濾波器。本文中，濾波器設計為f0=2.2 GHz，并具有非常寬的阻帶。阻抗比(K)的值對于SIR1是0.85，對于SIR2是0.55。因此，SIR的虛假響應應該是分散的。如果寄生頻率彼此閉合，則難以抑制寄生響應。SIR 1和SIR 2的基頻位于2.2 GHz，通過控制SIR的尺寸可以阻止寄生頻率。因此，SIR1高阻抗部分(Z1 =100 Ω)的物理寬度和長度(Z1 =100 Ω)為0.35 mm(W1)和10 mm(L1)，低阻抗部分(Z2 =85 Ω)的物理寬度和長度為0.53 mm(W2)和10 mm(L2)；SIR2高阻抗部分(Z1 =100 Ω)的物理寬度和長度(Z1 =100 Ω)為0.35 mm(W3)和10 mm(L3)，低阻抗部分(Z2 =55 Ω)的物理寬度和長度為1.29 mm (W4)和10 mm(L4)。

1.2 濾波器設計

基于四分之一波長的階梯阻抗諧振器的特性，選擇兩個較低諧振模式，然后通過仔細布置I/O端口耦合諧振模式，可以容易地實現(xiàn)寬帶通響應。這兩個濾波器的基頻工作頻率為2.2 GHz。當傳輸零點發(fā)生時，只有SIR1或SIR2共振并吸收大部分電流強度。

選擇合適的耦合間隙(g)以滿足通帶處的特定耦合系數(shù)。從圖3中可以看出，當耦合間隙(g)減小時，耦合系數(shù)增加，即兩個諧振器之間的耦合能量得到增強，回波損耗也得到更好。圖4為不同g下通過IE3D仿真出來的S參數(shù)較圖。從圖4中可以看出隨著g變大，中心頻率往高頻移動，同時帶寬越來越小。結合圖3和圖4，又由于本實驗室的雕刻機最小雕刻距離為0.15 mm，因此根據(jù)耦合系數(shù)的要求選擇g = 0.15 mm。

圖3 不同g下的耦合系數(shù)圖Fig.3 Coupling coefficients of different g

圖4 不同g下模擬仿真的S參數(shù)圖Fig.4 S parameter diagram of simulation of different g

2 測試及結果

所設計的帶通濾波器用雕刻機制造，并由HP8510C網(wǎng)絡分析儀測量。制造的濾波器的照片如圖4所示。圖5 本研究所制作的濾波器(a) 通帶測試結果 與( b) 通帶群時延。正如設計概念，所提出的帶通濾波器的測量結果表現(xiàn)出很高的性能，包括：中心頻率為2.2 GHz，具有1.5～2.9 GHz的通帶，即是帶寬比(fractional bandwidth，F(xiàn)BW)為64%。通帶內插入損耗為S21=-1.5 dB，回波損耗均大于-10 dB，通帶群延遲在0.15 ns內。在頻帶上邊4.2 GHz的地方出現(xiàn)傳輸零點，提高了濾波器的選擇性，整個電路尺寸約為21 mm×5 mm，即0.25 λg×0.06 λg，λg是2 GHz的波導波長。雖然測量結果在高頻段表現(xiàn)出一些不同的模擬結果，可以認為是制造誤差，但所提出的帶通濾波器仍然表現(xiàn)出良好的寬帶阻帶響應性能。該濾波器具有簡單的設計結構，緊湊的尺寸和出色的性能，因此所提出的濾波器對于現(xiàn)代寬帶無線通信系統(tǒng)非常有用。

圖5 制作的濾波器、通帶測試結果和通帶群時延Fig.5 Fabricated filter,passb and test results and passb and group delay

3 結論

在本文中，制作了一個新型微小化寬帶帶通濾波器，提出的濾波器僅使用具有簡單混合耦合結構的兩個四分之一波長階梯阻抗諧振器。該濾波器實現(xiàn)了中心頻率為2.2 GHz，具有1.5～2.9 G Hz的通帶，帶寬比為64%,通帶內插入損耗為S21=-1.5 dB，回波損耗均大于-10 dB，通帶群延遲在0.15 ns內。測量結果顯示出良好的性能并驗證了設計概念。