曾令鵬

(南京曉莊學(xué)院 電子工程學(xué)院，江蘇 南京 211171)

0 引言

微波濾波器在各類通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用[1]。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，移動通信的工作頻率越來越往高頻段方向發(fā)展[2-3]。在通信系統(tǒng)的射頻前端，無論是接收電路，還是發(fā)射電路[4]，濾波器都是必不可少的一個環(huán)節(jié)。在種類眾多的微波濾波器中，微帶濾波器由于具有加工方便、成本較低、易于和電路板集成等優(yōu)點，應(yīng)用非常廣泛。

最早由Wolff[5]于1972年提出在微帶結(jié)構(gòu)中引入雙模濾波器的設(shè)計思路。他提出的設(shè)計方法使一個環(huán)形諧振器激發(fā)起2個簡并模式。由于在一個諧振器中獲得了2個簡并模式，可以等效為2個諧振電路，所以通過這類設(shè)計方法得到的雙模濾波器，階數(shù)可以比傳統(tǒng)濾波器減少一半，從而在體積上可以大大減小。正因為雙模濾波器具有這樣的優(yōu)點，這些年來也得到了大量的研究[6-7]。

目前，常見的微帶形式雙模濾波器主要由環(huán)形[8]和貼片形諧振器構(gòu)成。文獻[9]分析了三角形貼片諧振器的工作特性，利用三角形貼片結(jié)構(gòu)設(shè)計了雙模濾波器。文獻[10]提出了一款方形貼片的雙模濾波器，通過在饋線上引入開路短截線的結(jié)構(gòu)，有效地抑制了寄生通帶。文獻[11]在環(huán)形諧振器的基礎(chǔ)上，利用開路枝節(jié)進行調(diào)諧，構(gòu)成了寬頻帶的雙模帶通濾波器。近年來，也有針對雙模雙通帶濾波器的研究[12-13]。

基于微帶濾波器小型化、集成化的趨勢[14]，本文利用方形貼片微帶諧振器的結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計一款新型的微擾單元，構(gòu)成一種雙模帶通濾波器。該濾波器采用直接耦合的饋電方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較低，有利于濾波器的加工制作。通過仿真軟件分析了微擾單元對濾波器性能的影響，所設(shè)計濾波器的中心頻率位于3.32 GHz處，在通帶兩側(cè)各有一個帶外傳輸零點，提高了帶通濾波器的頻率選擇性。

1 方形貼片諧振器的分析

本文所設(shè)計的濾波器采用了方形貼片結(jié)構(gòu)的諧振器。方形微帶貼片諧振器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，諧振器的頂部和底部由金屬覆蓋。

圖1 貼片諧振器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of patch resonator

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Amn為電場幅值；ω為角頻率；a為貼片諧振腔的有效長度；εeff為介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)。

從方形貼片諧振腔內(nèi)的電磁場表達式可以看出，腔內(nèi)相互正交的2個簡并主模為TM100和TM010。根據(jù)微波腔模理論，可以得到諧振頻率為：

(5)

對于這一對簡并主模而言，其諧振頻率為：

(6)

式中，μ為介質(zhì)基板的相對磁導(dǎo)率。

2 雙模濾波器的設(shè)計

2.1 雙模濾波器的結(jié)構(gòu)

設(shè)計的貼片雙模濾波器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該濾波器主要由方形貼片諧振器和方環(huán)微擾結(jié)構(gòu)組成。圖2(a)為濾波器的頂層結(jié)構(gòu)，其中灰色部分為方形金屬貼片和微帶饋線，在貼片內(nèi)部白色部分為蝕刻的方環(huán)微擾單元。方環(huán)微擾單元的中心與貼片中心的距離為d，2個中心點的連線與水平方向呈45°。為了減小插入損耗，該濾波器采用了直接饋電的方式。輸入、輸出端口之間呈90°正交關(guān)系，并且位于正方形貼片兩邊的中點位置。

濾波器的方環(huán)微擾單元如圖2(b)所示。該結(jié)構(gòu)是一個邊長為L4、寬度為W2的方形環(huán)，環(huán)的一邊切開了長度為G1的縫隙。將該環(huán)作為縫隙的形狀，放入方形貼片諧振器中，可以成為一個合適的雙模濾波器微擾單元，從而使圖2(a)的結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個雙模濾波器。

(a)頂層結(jié)構(gòu)

濾波器設(shè)計在大小為36 mm×36 mm的正方形介質(zhì)基板上，介質(zhì)板的厚度為0.508 mm，介電常數(shù)為3.38。介質(zhì)基板的另一面為接地金屬面，其大小也為36 mm×36 mm。根據(jù)圖2中雙模濾波器的結(jié)構(gòu)給出濾波器的相關(guān)尺寸參數(shù)，如表1所示。

表1 濾波器的尺寸參數(shù)

2.2 諧振器的模式分析

根據(jù)貼片諧振器的結(jié)構(gòu)，可以大致畫出其表面電場分布圖。通過仿真軟件，描繪出縫隙微擾下的矩形貼片諧振器的電場分布如圖3所示。

(a) 模式1(3.22 GHz)

由微帶貼片諧振器的表面電場可知，模式1和模式2的表面電場相互正交。通過引入新型的縫隙微擾結(jié)構(gòu)，可以將簡并模式進行分離，從而得到電場相互正交的2個模式。

2.3 方環(huán)微擾單元對濾波器的影響

在仿真軟件中調(diào)整方形微擾單元的尺寸，可以得到濾波器的S11曲線，如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)方形微擾單元的尺寸L4較小時，產(chǎn)生的微擾效果并不明顯，不能使簡并模式明顯分離。當(dāng)微擾單元的尺寸為5 mm時，可以使濾波器在中心通帶處表現(xiàn)出較好的性能，且能看到明顯的雙模特性。當(dāng)微擾單元的尺寸進一步增大時，微擾單元會使2個模式的諧振頻率逐漸拉大，雖然帶寬有一定的提高，但是通帶內(nèi)的匹配情況變差。因此，需要將微擾單元選定在一個合理的尺寸上。

圖4 微擾單元尺寸對濾波器的影響Fig.4 Effect of perturbation element sizes on filter performance

當(dāng)確定了微擾單元的大小以后，改變該結(jié)構(gòu)與方形貼片中心的距離d，可以得到如圖5所示的一組S11，S21曲線。由圖5的仿真結(jié)果可知，微擾單元的位置對于濾波器的性能也起到了一定的影響，但是影響的情況并不如圖4中尺寸的變化那樣明顯。從圖5(a)可以看出，隨著微擾單元與貼片中心距離d逐漸增大，2個簡并模式逐漸分離開來，當(dāng)距離為5 mm左右時，可以表現(xiàn)出較好的雙模濾波特性。觀察圖5(b)可知，距離d對于濾波器的通帶和帶外傳輸零點也會有一定影響。通過選擇合適的位置，可以使雙模濾波器的通帶內(nèi)插入損耗達到最小值，使帶外的傳輸零點衰減較大，從而提高雙模濾波器的選擇性。

隨著微擾單元與方形貼片中心的距離d的變化，2個諧振模式的耦合系數(shù)也會發(fā)生變化。通過仿真軟件的計算可以發(fā)現(xiàn)，隨著距離的增大，耦合系數(shù)有增大的趨勢。這也說明了隨著距離d的增大，2個諧振模式的頻率會逐漸拉開，形成雙模濾波器的特性。

在仿真軟件中調(diào)整方形微擾單元的縫隙G1的大小可以發(fā)現(xiàn)，微擾單元的縫隙G1的改變，也會引起濾波器特性的變化。縫隙大小的變化對性能影響并不顯著，但是依舊可以通過調(diào)節(jié)縫隙的大小，使雙模濾波器獲得一個較好的性能。

(a) S11仿真結(jié)果

3 雙模濾波器的制作與測量

對影響雙模濾波器性能的參數(shù)討論和分析后，可以得到微擾單元的合理尺寸和位置。再進一步優(yōu)化濾波器饋線的匹配特性，得到合適的濾波器尺寸結(jié)構(gòu)。在對濾波器的尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化以后，得到最終結(jié)構(gòu)尺寸為d=5.5 mm，G1=0.5 mm，L1=22 mm，L2=7 mm，L3=10.45 mm，L4=5 mm，W1=1.1 mm，W2=0.5 mm。對該濾波器進行了加工制作，其實物如圖6所示。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對其S11和S21參數(shù)進行了測量，測量結(jié)果和仿真結(jié)果如圖7所示。

從測量結(jié)果看，該雙模帶通濾波器的3 dB帶寬為230 MHz，中心工作頻率在3.32 GHz，相對帶寬為6.9%，通帶內(nèi)插入損耗小于1.35 dB。在通帶的兩側(cè)各有一個傳輸零點，其位置分別在2.91，3.84 GHz，2個傳輸零點的衰減均大于40 dB，有較好的帶外抑制特性。對比圖7中2組曲線可以看出，仿真結(jié)果與測量結(jié)果基本一致。

圖6 雙模濾波器實物Fig.6 Real product pictures of dual-mode filter

圖7 雙模濾波器的仿真與測試曲線Fig.7 Simulated and tested curves of dual-mode filter

4 結(jié)束語

本文提出了一種方環(huán)形縫隙微擾的雙模帶通濾波器，研究了該微擾結(jié)構(gòu)下的諧振器電場分布，通過仿真軟件HFSS分析了微擾結(jié)構(gòu)的形狀、位置、尺寸對方形貼片雙模濾波器的影響。在此基礎(chǔ)上對濾波器的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，并對濾波器進行了實物加工和測量。該雙模帶通濾波器尺寸較小，具有微帶平面結(jié)構(gòu)，易于與各種平面電路集成，可以應(yīng)用于S波段的通信系統(tǒng)中，具有較高的實用價值。