基于CSRR-QMSIW諧振器的雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)

張國(guó)鵬，黃玉蘭

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

0 引言

隨著人們對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的要求不斷提升，多頻帶通信系統(tǒng)快速發(fā)展，因此能夠工作在多個(gè)頻帶的濾波器逐漸成為了研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)、外學(xué)者對(duì)雙通帶濾波器展開(kāi)了一系列研究，較成熟的濾波器形式有波導(dǎo)腔體濾波器[1]、微帶濾波器[2-3]，但波導(dǎo)腔體濾波器體積較大，難以與平面電路集成且無(wú)法滿足小型化的要求；微帶濾波器輻射大，品質(zhì)因數(shù)(Q)值低，插入損耗較高?；刹▽?dǎo)(SIW)的問(wèn)世彌補(bǔ)了上述濾波器的缺陷[4-6]，然而該結(jié)構(gòu)的濾波器在頻率相對(duì)較低的情況下，其標(biāo)準(zhǔn)化尺寸仍較大。后有學(xué)者提出，為改善濾波器的尺寸問(wèn)題，且形成雙通帶濾波器，可通過(guò)利用半模SIW加載互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)(CSRR)或缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS)，實(shí)現(xiàn)雙通帶濾波器[7-8]。由于該結(jié)構(gòu)的諧振器均是采用在半?；刹▽?dǎo)(HMSIW)金屬層開(kāi)槽的方式，而HWSIW波導(dǎo)本身不參與諧振，這將會(huì)導(dǎo)致濾波器的加工成本提高，帶外抑制水平和插入損耗較差。

為了改善濾波器體積問(wèn)題，降低插入損耗，本文提出了一種通過(guò)1/4?；刹▽?dǎo)(QMSIW)腔體[9-11]加載CSRR并聯(lián)的雙諧振結(jié)構(gòu)的CSRR-QMSIW雙通帶濾波器，由于該濾波器中QMSIW諧振腔體的諧振作用，可單獨(dú)形成一個(gè)通帶，因此,只需加載一個(gè)可產(chǎn)生低于QMSIW諧振頻點(diǎn)的CSRR諧振器便可實(shí)現(xiàn)雙通帶。這種方法可有效降低插入損耗，且理論上QMSIW結(jié)構(gòu)的尺寸僅為SIW的1/4。

1 CSRR-QMSIW特性

本文以QMSIW結(jié)構(gòu)作為諧振腔,其與SIW的電磁場(chǎng)分布及諧振頻率非常相似，但尺寸僅為SIW結(jié)構(gòu)諧振腔的25%。由于SIW是在介質(zhì)基板上通過(guò)金屬化通孔的周期性排列形成的，TM模式將受到側(cè)壁不連續(xù)通孔的切割而消失，所以,在SIW中只存在TE模,QMSIW腔體的諧振頻率[12]為

(1)

式中：m=q=1，2，3，…；ε和μ分別為介質(zhì)基板的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率；Leff和Weff分別為SIW的等效長(zhǎng)度和等效寬度，則有

(2)

(3)

式中p,d和W分別為金屬通孔的間距、直徑和金屬孔壁的長(zhǎng)度。

當(dāng)滿足d/p>0.5,d/λ<0.1時(shí)，由金屬通孔組成的磁壁幾乎不發(fā)生電磁的泄漏[13]。圖1為CSRR-QMSIW諧振器。圖中，a、c、g、f分別為外側(cè)開(kāi)口互補(bǔ)環(huán)的邊長(zhǎng)、寬度、間距及環(huán)開(kāi)口處的寬度，k為開(kāi)口互補(bǔ)環(huán)的位置參數(shù)。本文采用的介質(zhì)基板為Rogers公司的RT/Duroid 5880型壓層板，介電常數(shù)為2.2，介電損耗正切角為0.000 9，厚為0.508 mm。參數(shù)如表1所示。

圖1 CSRR-QMSIW諧振器示意圖

p/mmg/mmk/mma/mm0.70.31.23.0c/mmf/mmW/mmd/mm0.380.257.35?0.4

通過(guò)在金屬層上鏤空刻蝕出開(kāi)口諧振環(huán)可得CSRR結(jié)構(gòu)，依據(jù)慢波效應(yīng)，可在低于QMSIW諧振腔的諧振點(diǎn)處產(chǎn)生另一個(gè)通帶，且不會(huì)占用額外空間，因此,通過(guò)在QMSIW上加載CSRR可最大程度減小該濾波器尺寸。為驗(yàn)證雙通帶濾波器的結(jié)構(gòu)特征，我們分析了CSRR諧振環(huán)與QMSIW腔體的k和CSRR諧振環(huán)的a對(duì)其傳輸特性的影響，其他參數(shù)不變，通過(guò)使用電磁仿真軟件HFSS 15.0對(duì)其進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果如圖2所示。由圖可知，a、k均會(huì)改變諧振器的頻率。當(dāng)增大a時(shí)，CSRR諧振器所產(chǎn)生的諧振頻點(diǎn)和傳輸零點(diǎn)都向左移(見(jiàn)圖2(a))，因此可通過(guò)改變a來(lái)控制第一通帶的中心頻率，在不影響其正常工作的情況下，中心頻率最小可調(diào)節(jié)至7.6 GHz；因QMSIW腔體磁壁切割線交點(diǎn)處的電場(chǎng)最強(qiáng)[14]，可通過(guò)改變k來(lái)改變QMSIW腔體的諧振特性，使其諧振頻率發(fā)生變化(見(jiàn)圖2(b))，第二通帶的中心頻率隨k的減小而增大，因此,在不影響正常工作的情況下，第二通帶中心頻率最大可調(diào)節(jié)至13 GHz。

圖2 CSRR參數(shù)對(duì)傳輸特性的影響

2 雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)

本文利用CSRR-QMSIW諧振腔設(shè)計(jì)了一種雙通帶濾波器，結(jié)構(gòu)如圖3所示，濾波器由兩個(gè)CSRR-QMSIW諧振器和饋電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其中利用微帶線實(shí)現(xiàn)SIW諧振器和傳輸線的匹配。濾波器的外部品質(zhì)因數(shù)主要由k、縱向位置參數(shù)k1,以及微帶饋線與QMSIW腔體的位置參數(shù)s控制。

圖3 雙頻濾波器結(jié)構(gòu)圖

CSRR-QMSIW濾波器采用開(kāi)窗加長(zhǎng)型S型槽的耦合方式，結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中A1、B1和A2、B2分別為諧振腔1和諧振腔2的CSRR諧振器和QMSIW諧振器，兩諧振器通過(guò)并聯(lián)的方式產(chǎn)生相對(duì)獨(dú)立的兩通帶，通過(guò)在上、下金屬層刻蝕出可伸長(zhǎng)的S型槽，產(chǎn)生容性加感性的混合耦合，S型槽不僅可以實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，還可以使信號(hào)的相位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，可在第二通帶右側(cè)處引入一個(gè)傳輸零點(diǎn)，減小高次諧波對(duì)濾波器選擇性的影響，并且可通過(guò)調(diào)節(jié)S型槽長(zhǎng)度Lcp控制諧振器之間的耦合系數(shù)，調(diào)節(jié)濾波器傳輸零點(diǎn)的位置。

通過(guò)對(duì)圖3所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，圖中濾波器長(zhǎng)度L=15 mm，濾波器寬度w=8 mm，濾波器位置參數(shù)s=4.7 mm，微帶饋線寬度ws=1.6 mm，a=3.2 mm，g=0.4 mm，c=0.38 mm，f=0.3 mm，k=1.49 mm，k1=0.2 mm，Lcp=3.6 mm，S型槽寬度wl=0.2 mm，彎曲處圓半徑r=0.45 mm，x=3.15 mm，濾波器結(jié)構(gòu)尺寸為15 mm×8 mm(0.4λ0×0.21λ0，其中λ0為第一個(gè)通帶所代表的波長(zhǎng))。

仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4(b)可知，耦合系數(shù)隨著Lcp的增大而增大;且傳輸零點(diǎn)與第二通帶中心頻點(diǎn)的距離也隨著耦合強(qiáng)度的增大而減小，隨著傳輸零點(diǎn)靠近，帶外抑制能力也將提高，但當(dāng)Lcp>3.8 mm，傳輸零點(diǎn)頻率小于11.0 GHz時(shí)，帶內(nèi)衰減將受到影響，如圖4(b)所示。因此，為了兼顧兩者，調(diào)節(jié)S型槽Lcp為3.6 mm時(shí)，傳輸零點(diǎn)位于11.5 GHz，帶外抑制和帶內(nèi)衰減將同時(shí)得到滿足，傳輸響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖4 Lcp分別對(duì)傳輸特性和耦合系數(shù)的影響

圖5 雙帶通濾波器仿真圖

由圖5可知，雙頻濾波器的兩個(gè)通帶中心頻率分別位于8.1 GHz和11.5 GHz，其所對(duì)應(yīng)的-3 dB帶寬分別為8.7%和2.7%，通帶內(nèi)最小插入損耗分別為0.16 dB和0.39 dB，回波損耗均大于25 dB。濾波器共有2個(gè)傳輸零點(diǎn)，位于9.8 GHz處的傳輸零點(diǎn)，使兩個(gè)通帶的隔離度達(dá)到46 dB，在11.5 GHz處的傳輸零點(diǎn)衰減達(dá)到64 dB，提高了濾波器的帶外抑制能力和選擇性。

通過(guò)對(duì)比本文所設(shè)計(jì)的濾波器與其他雙頻帶濾波器的尺寸和性能，其對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示，由表可知，文中的雙頻帶濾波器的尺寸和插入損耗的綜合性能均優(yōu)于其他文獻(xiàn)中的濾波器，且?guī)庖种苾?yōu)于文獻(xiàn)中的濾波器，綜合比較可得本文設(shè)計(jì)的雙頻帶濾波器實(shí)現(xiàn)了小尺寸，低插入損耗和高帶外抑制水平。

表2 QMSIW-CSRR結(jié)構(gòu)與SIW結(jié)構(gòu)濾波器的比較

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)利用QMSIW諧振腔體積小,且能夠產(chǎn)生諧振頻點(diǎn)的特性，結(jié)合CSRR結(jié)構(gòu)的諧振特性，設(shè)計(jì)了一款基于CSRR-QMSIW的雙頻帶濾波器，兩個(gè)通帶的頻率分別由CSRR諧振器和QMSIW諧振腔控制。仿真結(jié)果表明,兩個(gè)通帶的中心頻率分別為8.1 GHz和11.5 GHz，最大回波損耗達(dá)到了46 dB，通帶內(nèi)插入損耗最小可達(dá)0.16 dB。該濾波器分別在兩個(gè)通帶之間和高阻帶各存在一個(gè)傳輸零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)濾波器兩通帶間隔離度高達(dá)45 dB，高阻帶衰減達(dá)到64 dB。該濾波器尺寸僅為15 mm×8 mm，實(shí)現(xiàn)小型化的特點(diǎn)，可用于通信設(shè)備中，該構(gòu)造也為QMSIW型濾波器的研究做出了貢獻(xiàn)。