覃鳳 周瑩 曹美媛

摘? 要：作為無線通信終端設(shè)備的重要組成部分，濾波器在無線通信系統(tǒng)中具有重要作用，隨著頻譜資源的日益緊張，研究雙頻甚至多頻平面帶通濾波器的基礎(chǔ)理論及設(shè)計方法對于多頻通信系統(tǒng)的發(fā)展至關(guān)重要。首先對國內(nèi)外近年來在多頻帶平面帶通濾波器方面的研究現(xiàn)狀作了報告，總結(jié)了平面帶通濾波器的多頻帶技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，對目前實現(xiàn)多頻帶濾波器的主要技術(shù)手段進行了研究歸納。

關(guān)鍵詞：微波通信;帶通濾波器;多頻帶;應(yīng)用現(xiàn)狀

Abstract：As an important part of wireless communication terminal equipment，filter plays an important role in wireless communication system. With the increasing shortage of spectrum resources，it is very important to study the basic theory and design method of dual frequency or even multi-frequency planar band pass filter for the development of multi-frequency communication system. Firstly，the research status of multi-band planar band pass filter at home and abroad in recent years is reported，and the multi-band technology of planar band pass filter is summarized. On this basis，the main technical means of realizing multi-band filter are studied and summarized.

Keywords：microwave communication;band pass filter;multi-band;application status

0? 引? 言

近年來，電子技術(shù)及無線通信技術(shù)發(fā)展迅猛，隨之涌現(xiàn)出面向各種無線通信應(yīng)用的終端設(shè)備。其中，無線收發(fā)系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)對無線電波的接收及發(fā)射，是移動終端設(shè)備中至關(guān)重要的組成部分之一，在整個通信系統(tǒng)中扮演著的“耳目”的作用。而在無線收發(fā)系統(tǒng)中，為了將有用信號和干擾及噪聲區(qū)分開來，即提取有用信號的同時抑制干擾及噪聲，要求無線接收機在接收端對接收到的信號進行濾波處理，相應(yīng)地，無線發(fā)射機中也應(yīng)設(shè)置濾波電路，用于將發(fā)射信號濾波處理之后再發(fā)射出去。這里的濾波處理主要用濾波器（Filter）實現(xiàn)，可見濾波器是無線收發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分。濾波器種類多種多樣，其中由于平面型濾波器具有結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉、便于集成等優(yōu)點而受到國內(nèi)外研究學者的青睞，并且在GPS、WLAN、GSM以及WCDMA等無線通信系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用[1]。另一方面，快速發(fā)展的無線通信技術(shù)促使采用無線通信方式的電子設(shè)備日益增多，頻譜資源也隨之日漸緊張，傳統(tǒng)單一頻帶的濾波器逐漸被淘汰而退出市場。同時，采用簡單地級聯(lián)多個單頻濾波器設(shè)計多通帶濾波器的方式將增加終端設(shè)備的制造成本及體積，這樣一來則無法滿足無線通信設(shè)備小型化、便攜式發(fā)展的需求。因此，研究并設(shè)計出結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)異且具有雙頻甚至多頻特性的平面帶通濾波器在理論及實踐方面均具有重要價值。

基于攻讀碩士學位以來從事微帶濾波器及微帶天線等微波器件設(shè)計研究的工作經(jīng)驗，為總結(jié)平面微帶濾波器在多頻帶設(shè)計方面的研究成果及技術(shù)手段，筆者首先對近年來國內(nèi)外關(guān)于多頻帶平面帶通濾波器的主要研究成果進行了總結(jié)介紹。并基于多頻帶通濾波器的研究現(xiàn)狀，進一步歸納總結(jié)了實現(xiàn)平面帶通濾波器多頻帶設(shè)計的主要技術(shù)方法，對多頻帶平面帶通濾波器的設(shè)計實現(xiàn)有一定的借鑒意義。

1? 多頻帶平面帶通濾波器的研究現(xiàn)狀

隨著無線通信設(shè)備越來越多，頻譜資源越來越緊張，僅適用單頻帶通信需求的傳統(tǒng)濾波器逐漸被淘汰。而傳統(tǒng)的采用將多個單頻帶濾波器簡單級聯(lián)起來設(shè)計的多通帶濾波器又不符合無線通信設(shè)備的小型化、便攜式發(fā)展趨勢。因此，具有優(yōu)異性能的多頻帶平面濾波器的設(shè)計方法成了當前乃至今后的研究熱點，備受國內(nèi)外研究學者的關(guān)注。

濾波器的多頻技術(shù)即利用單一濾波器便可實現(xiàn)同時工作在多個頻段的濾波器頻率響應(yīng)特性。早期傳統(tǒng)的多頻帶通濾波器是通過將多組諧振器并聯(lián)起來實現(xiàn)的。如Chen等人就曾利用平行耦合線的饋線結(jié)構(gòu)，通過并聯(lián)兩組諧振頻率互不相同的諧振器實現(xiàn)帶通濾波器的雙頻特性[2]。這種方法原理簡單、方便可行，但電路尺寸較大。為減小電路尺寸，Chen等人在上述研究基礎(chǔ)上通過彎折輸入輸出饋線設(shè)計出了一個結(jié)構(gòu)更緊湊的雙頻帶通濾波器電路[3]，從而在實現(xiàn)濾波器雙頻特性的同時兼顧了小型化設(shè)計。

對于微帶結(jié)構(gòu)的濾波器電路，還可以采用缺陷地結(jié)構(gòu)（DGW）來實現(xiàn)多頻帶通濾波器的設(shè)計。如文獻[4]采用兩組DGW諧振器結(jié)構(gòu)設(shè)計的雙頻帶通濾波器，利用不同尺寸的DGW諧振器具有不同諧振頻率的特點，實現(xiàn)了分別諧振在1.85 GHz和2.35 GHz、具有雙頻帶通特性的濾波器設(shè)計。為更加充分地利用上層空間，同年Wu等人又采用微帶諧振器和DGW諧振器相組合的方法設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)更緊湊的雙頻帶通濾波器[5]。

另一種常被用于實現(xiàn)濾波器多頻化設(shè)計的技術(shù)方法是采用階躍阻抗諧振器（SIR）。如文獻[6]中提出的利用SIR設(shè)計帶寬可控的雙通帶濾波器，并對SIR的諧振特性進行了詳細的分析。Chu等人也于2008年設(shè)計實現(xiàn)了一款雙頻帶濾波器[7]，通過調(diào)節(jié)SIR的阻抗比和電長度比，可有效控制諧振器本身具有的兩個頻段。另外，為了優(yōu)化帶內(nèi)性能，濾波器采用兩個SIR級聯(lián)實現(xiàn)兩個通帶內(nèi)的雙模特性。而將諧振器彎折并采用偽交趾耦合的結(jié)構(gòu)主要是為了進一步減小電路尺寸，與此同時，改變?yōu)V波器中兩個SIR之間的耦合強度可實現(xiàn)對通帶內(nèi)模式分離程度的控制，進而達到帶寬可調(diào)的目的。

此外，利用加載枝節(jié)的方法形成的多模諧振器也常被用于設(shè)計多頻帶通濾波器。所謂的枝節(jié)加載諧振器是在單一諧振器的不同位置加載不同尺寸及不同結(jié)構(gòu)的枝節(jié)，從而得到彼此無耦合的多個模式特性，在實現(xiàn)濾波器多頻化設(shè)計的同時還具有帶寬可控性。Liu等人于2013年提出了一種新型多模諧振器——環(huán)形加載諧振器[8]，其結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，圖中MW和EW分別表示磁壁和電壁。環(huán)形加載諧振器的構(gòu)成方法為：在均勻阻抗諧振器（寬度w）的中心位置進行方環(huán)形加載（加載環(huán)形的長和寬分別為L2、2s，微帶寬度w），L1為加載的方環(huán)形到均勻阻抗諧振器邊緣的距離。文章利用奇偶模理論建立該諧振器的等效電路并詳細分析了其諧振特性。最后利用這種新型諧振器設(shè)計并制作實現(xiàn)了一款面向WLAN應(yīng)用的雙通帶濾波器，為了獲得更緊湊的濾波器結(jié)構(gòu)，將圖1（a）的諧振器進行了彎折處理，再加上輸入輸出微帶饋線，從而得到如圖1（b）所示的濾波器結(jié)構(gòu)。其中，w、L1、L2含義同圖1（a），w1為微帶饋線寬度，g為饋線與諧振器的間距。圖1（c）給出了該濾波器的頻率特性，S11、S21分別為濾波器的回波損耗和插入損耗參數(shù)，該濾波器在實現(xiàn)雙頻帶頻率響應(yīng)特性的同時還具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點。

文獻[9]通過在兩階的對稱SIR上加載短路枝節(jié)設(shè)計了一款三頻帶通濾波器，濾波器結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。該濾波器包括一個彎折成“S”形的短路枝節(jié)加載SIR（短路枝節(jié)加載在SIR的中心位置，SIR的尺寸為L1，L2，W1，W2，加載的短路枝節(jié)尺寸為L3，W3）和一對開口環(huán)UIR（長度為L4+L5，寬度W4）組成。g1為兩個UIR之間間距，UIR和SIR不同位置之間的間距分別為g2和g3。最終得到的濾波器頻率響應(yīng)特性如圖2（b）所示，S11、S21分別為濾波器的回波損耗和插入損耗參數(shù)。其中，三個頻帶分別由枝節(jié)加載SIR的奇偶模諧振頻率、SIR的一次諧波以及饋線部分產(chǎn)生。另外，該濾波器電路結(jié)構(gòu)中將SIR進行彎折處理有利于小型化設(shè)計;采用的零點饋線結(jié)構(gòu)，有助于產(chǎn)生多個傳輸零點，以提高濾波器的選擇性。

2? 多頻濾波器的設(shè)計方法

綜合以上對于多頻平面帶通濾波器的應(yīng)用研究，可見濾波器多頻技術(shù)的核心在于將具有不同諧振頻率的諧振單元集成在單一濾波器中，通過多路徑實現(xiàn)濾波器的多頻特性。目前在實現(xiàn)濾波器多頻帶特性的設(shè)計中，較為成熟且有效的技術(shù)方法有很多，具體包括：

（1）級聯(lián)帶通濾波器和帶阻濾波器或?qū)⒍嘟M諧振器并聯(lián)，具體的濾波器結(jié)構(gòu)及其耦合結(jié)構(gòu)如圖3所示。1～6對應(yīng)表示兩個微帶諧振器和四個缺陷地開環(huán)諧振器的六個諧振單元，相互間存在的直接耦合和間接耦合分別用實線和虛線表示，M則代表對應(yīng)的耦合系數(shù)，圖中的箭頭指出了信號的傳輸方向。采用這種方法設(shè)計的多頻濾波器原理簡單，但由于需要對多個不同諧振器進行阻抗匹配電路的設(shè)計而使得設(shè)計復(fù)雜度增大。同時，包含多個濾波器以及阻抗匹配電路的引入造成濾波器電路尺寸較大，無法滿足無線設(shè)備的小型化要求。

（2）采用缺陷地（DGW）結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)濾波器的地平面開槽，如圖4所示。其中黑色（T型）部分代表電路板正面的輸入輸出饋線，白色（U型）部分為電路板背面蝕刻的開槽結(jié)構(gòu)。利用不同尺寸的DGW諧振器結(jié)構(gòu)具有不同諧振頻率的特點可實現(xiàn)濾波器的多頻帶效果。這種方法可在實現(xiàn)多頻設(shè)計的同時在一定程度上兼顧濾波器的小型化，特別是在將DGW結(jié)構(gòu)和微帶結(jié)構(gòu)結(jié)合起來設(shè)計多頻帶濾波器的情況下對于雙層空間的充分利用更為有效，可進一步縮減電路尺寸，實現(xiàn)小型化。

（3）利用階躍阻抗諧振器（SIR）基頻和諧波頻率可控的特性來實現(xiàn)濾波器的多頻化設(shè)計。SIR具有不同表現(xiàn)形式，其中圖5所示為非對稱的諧振器結(jié)構(gòu)。它由高阻抗線（L1、W1、θ1、Z1）和低阻抗線（L2、W2、θ2、Z2）兩部分組成。其中，L、W、θ、Z分別為對應(yīng)阻抗線的物理長、寬、阻抗及電長度。采用這種阻抗不均勻的諧振器可通過改變其阻抗比和電長度比實現(xiàn)各通帶中心頻率和帶寬的單獨可調(diào)。

（4）采用多模諧振器（MMR）。多模諧振器本身包含多個諧振回路，不同諧振回路對應(yīng)不同頻率，可以通過合理控制諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)濾波器的多頻工作特性。而一般可以采用以下方法構(gòu)成具有多個模式的多模諧振器：加入貼片形成微擾分離模式、在貼片諧振器上開不同尺寸的槽、加載枝節(jié)以及采用非均勻諧振器等。

相對于前述三種多頻帶濾波器的設(shè)計方法，采用多模諧振器的方式更容易實現(xiàn)尺寸更小、帶內(nèi)特性更好、帶外選擇性更優(yōu)良以及諧振模式更豐富的多頻帶濾波器設(shè)計，因此被廣泛用來設(shè)計多頻帶帶通濾波器。值得注意的是，有關(guān)濾波器的多頻化設(shè)計方法并不限于以上提到的這幾種，并且各種實現(xiàn)多頻帶特性的技術(shù)手段也并非是孤立的。同時，在對濾波器進行多頻化設(shè)計時還應(yīng)該兼顧帶內(nèi)損耗、帶外選擇性、多頻帶等多方面的性能指標。

3? 結(jié)? 論

本文首先針對近年來國內(nèi)外在平面帶通濾波器的多頻帶設(shè)計方面的主要研究成果進行了簡要回顧，在此基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了在平面帶通濾波器的設(shè)計過程中用于實現(xiàn)多頻特性的主要技術(shù)手段，為下一步多頻帶通濾波器的設(shè)計工作提供理論依據(jù)。

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作者簡介：覃鳳（1989—），女，漢族，四川遂寧人，教師，講師，碩士，主要研究方向：電子通信、電磁場與微波技術(shù);周瑩（1991—），女，漢族，湖北鄂州人，教師，講師，碩士，主要研究方向：無損檢測、圖像處理;曹美媛（1991—），女，漢族，湖南醴陵人，教師，助教，碩士，主要研究方向：圖像處理。