張友俊,王龍冠

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院,上海 201306)

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展,頻段日益緊張,頻段間干擾增強(qiáng),促使濾波器朝著小型化、高頻帶選擇性和高帶外噪聲抑制的方向發(fā)展。由于微帶濾波器具有頻帶寬、易集成、易加工和低成本等優(yōu)點(diǎn),使其在微波領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用[1-2]。

鑒于傳統(tǒng)濾波器存在尺寸大、損耗高和帶外噪聲大的問題,諸多學(xué)者對此做出了大量研究。階梯阻抗諧振器(Stepped Impedance Resonator,SIR)[3-5]是最常見的微波濾波器設(shè)計(jì)形式,與傳統(tǒng)的均勻阻抗諧振器不同,階梯阻抗諧振器不僅可以實(shí)現(xiàn)更小的尺寸,而且可以將寄生通帶向高頻推移,從而實(shí)現(xiàn)高帶外噪聲抑制。文獻(xiàn)[6-7]對階梯阻抗諧振器的多模諧振特性進(jìn)行了研究,通過在濾波器的帶外引入多個傳輸零點(diǎn),提高了濾波器的高頻噪聲抑制能力。此外,缺陷地結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure,DGS)[8-11]也常被用于微帶濾波器中,利用其寬禁帶帶隙的特性,提高了濾波器的帶外抑制能力。由于DGS 結(jié)構(gòu)一般是通過在接地板上刻蝕缺陷圖案形成的,因此可以提高濾波器結(jié)構(gòu)的緊湊性。綜上所述,雖然諸多學(xué)者對此做出了研究和改善,設(shè)計(jì)一種適用于手持式應(yīng)用的超緊湊、高帶外抑制的小型化濾波器仍然是微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個具有挑戰(zhàn)性的課題。

基于階梯阻抗開口環(huán)諧振器(Split-Ring Resonator,SRR)[12-13],結(jié)合缺陷地結(jié)構(gòu),本文設(shè)計(jì)了一款低損耗、小尺寸和高帶外抑制的微帶帶通濾波器。濾波器的尺寸為42 mm×20 mm×1.0 mm,該濾波器工作于WLAN 頻段(中心頻率為2.45 GHz),帶內(nèi)損耗在-1.5 dB 以內(nèi),回波損耗小于-15 dB,在2.58 GHz與3.08 GHz 處分別出現(xiàn)了兩個傳輸零點(diǎn),使濾波器在3.5 GHz 頻帶內(nèi)的帶外抑制達(dá)到-20 dB。通過HFSS仿真軟件的優(yōu)化,加工了實(shí)物,對該濾波器進(jìn)行測試表明,實(shí)際結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。

1 濾波器設(shè)計(jì)

1.1 階梯阻抗折疊型開口環(huán)諧振器

圖1 所示為微帶開口諧振環(huán)的幾種類型。圖1(a)所示為傳統(tǒng)的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu),具有1/2 波長微帶線特性,諧振頻率隨微帶線長度的增加而增加;圖1(b)所示為改良的折疊型開口諧振環(huán),與傳統(tǒng)的開口環(huán)諧振器相比,折疊型的開口環(huán)在不增加整體尺寸的前提下,增加了微帶線的總長度,并提高了開口環(huán)的耦合強(qiáng)度,因此具有更高的緊湊性。

圖1 開口環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of split-ring resonator

本設(shè)計(jì)采用新型的階梯阻抗折疊型開口環(huán)諧振器,如圖1(c)所示,通過合理調(diào)節(jié)微帶線的阻抗可以使雜散諧波遠(yuǎn)離基頻,提高濾波器的高頻噪聲抑制能力。

1.2 二階濾波器設(shè)計(jì)

采用階梯阻抗折疊型開口環(huán)諧振器,設(shè)計(jì)了一款二階開口環(huán)微帶濾波器,如圖2 所示。

圖2 二階開口環(huán)濾波器Fig.2 Second-order split-ring filter

本文設(shè)計(jì)的微帶濾波器輸入輸出采用抽頭饋電的形式,抽頭饋電與諧振器之間的耦合系數(shù)(濾波器外部品質(zhì)因數(shù)Q)與兩者之間的相對位置有關(guān),抽頭饋電結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 抽頭饋電結(jié)構(gòu)Fig.3 Tapped-line feeding structure

調(diào)節(jié)抽頭饋電與諧振器之間的間距T,可以得到外部品質(zhì)因數(shù)Q值隨間距T變化的曲線。結(jié)果如圖4所示,當(dāng)間距從0.4 mm 增加到1.6 mm 時(shí),耦合系數(shù)由25.2 增加到32.6。

圖4 外部Q 值隨間距T 變化的曲線Fig.4 The change of external Q value with spacing T value

由圖2 可以看出,該二階濾波器采用兩個階梯阻抗折疊型開口環(huán)諧振器開口相對的形式,諧振器之間的耦合方式為電耦合[14-15]。電耦合的等效電路模型如圖5 所示。

圖5 電耦合諧振器電路Fig.5 Electrically coupled resonator circuit

由圖5 可以看出,兩個諧振器之間通過耦合電容Cm實(shí)現(xiàn)容性耦合,圖中L、C 分別為諧振器的自電感以及自電容。該電路模型的耦合元件通過J 導(dǎo)納變換可以等效為如圖5(b)所示的π 形網(wǎng)絡(luò),由一個并聯(lián)電容Cm和兩個串聯(lián)電容-Cm組成。在T1-與T2-T2′參考面之間,可以看作一個二端口網(wǎng)絡(luò),其電路方程為:

將圖5 中的對稱面T-T′分別用一個電壁(短路)或一個磁壁(開路)所替代,則得到兩個諧振頻率與電耦合系數(shù):

式中:fe與fm分別表示電耦合與磁耦合控制的頻率;ke表示電耦合系數(shù)。由式(5)可知,電耦合系數(shù)由耦合電容Cm確定,與耦合電感無關(guān)。

通過調(diào)節(jié)諧振器之間的間距D,可以得到不同間距時(shí)的諧振頻率,計(jì)算得到耦合系數(shù)隨間距變換的曲線。仿真結(jié)果如圖6 所示,當(dāng)間距從0.2 mm 增加到1.0 mm 時(shí),耦合系數(shù)由1.17 降低到0.48。

圖6 KX隨間距D 變化的曲線Fig.6 The change of KX value with spacing D value

結(jié)合以上分析的結(jié)果,利用仿真軟件對該二階濾波器進(jìn)行優(yōu)化,最終設(shè)計(jì)得到的濾波器各項(xiàng)物理參數(shù)如表1 所示。

表1 濾波器結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Filter structure size

該濾波器的耦合系數(shù)和外部品質(zhì)因數(shù)分別為0.82和25.6。濾波器的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖7 所示,該濾波器的中心頻率為2.45 GHz,在2.36 GHz 到2.58 GHz 通帶范圍內(nèi)插入損耗小于1.0 dB,回波損耗大于10 dB。

圖7 濾波器S 參數(shù)Fig.7 Filter S parameters

由圖7 中可以看出,雖然該濾波器在2.59 GHz 處引入了一個傳輸零點(diǎn),但由于寄生通帶的影響,濾波器的高頻帶外抑制較差,容易受到噪聲的影響。為了解決這個問題,本文設(shè)計(jì)了基于開口諧振環(huán)的缺陷地結(jié)構(gòu),如圖8 所示。

圖8 DGS 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of DGS structure

該DGS 結(jié)構(gòu)具有帶阻特性,可以在濾波器的帶外引入一個傳輸零點(diǎn),零點(diǎn)頻率主要與開口環(huán)結(jié)構(gòu)的長度和開口間距有關(guān)。單獨(dú)對該DGS 結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真,得到傳輸零點(diǎn)頻率隨開口環(huán)長度(a/b)變化的曲線,結(jié)果如圖9 所示。

由圖9 可以看出,該DGS 引入的傳輸零點(diǎn)的頻率隨開口環(huán)長度的增加而減小。而且,傳輸零點(diǎn)具有較高的品質(zhì)因數(shù),不會影響帶通濾波器的通帶性能。圖10所示為帶通濾波器與DGS 結(jié)構(gòu)的S21參數(shù)結(jié)果,可以看出,當(dāng)諧振頻率為3 GHz 時(shí),引入的零點(diǎn)可以顯著提高濾波器的帶外性能,并且不會對通帶特性造成影響。

圖9 傳輸零點(diǎn)頻率隨開口環(huán)長度變化曲線Fig.9 Transmission zero frequency curves with the changing length of the split ring

圖10 SRR 濾波器與DGS 結(jié)構(gòu)的S21參數(shù)Fig.10 S21 parameters of SRR filter and DGS structure

2 濾波器的制作與測試

在原二階濾波器中引入該DGS 結(jié)構(gòu),最終得到濾波器的模型,如圖11 所示。

圖11 SRR-DGS 濾波器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of SRR-DGS filter structure

該濾波器的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖12 和圖13 所示。

圖12 SRR-DGS 濾波器S 參數(shù)Fig.12 S parameters of SRR-DGS filter

圖13 引入DGS 結(jié)構(gòu)前后對比Fig.13 Comparison before and after the introduction of GDS structure

如圖13 所示,將引入SRR-DGS 結(jié)構(gòu)的濾波器與原濾波器的仿真結(jié)果相比可以看出,DGS 結(jié)構(gòu)在3.0 GHz 處引入了一個-64 dB 傳輸零點(diǎn),原濾波器在2.5 GHz 到3.5 GHz 范圍內(nèi)的帶外抑制為-6 dB,SRRDGS 濾波器的帶外抑制為-15 dB,該結(jié)果證明了DGS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

基于成熟的印制電路板工藝,選取相對介電常數(shù)εr為2.65,對圖11 所設(shè)計(jì)的SRR-DGS 濾波器進(jìn)行加工,所得濾波器實(shí)物的正面和背面如圖14 所示。

圖14 濾波器實(shí)物圖Fig.14 Physical diagram of filter

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該濾波器的S參數(shù)進(jìn)行了測試,并且將測試與仿真的結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。結(jié)果如圖15 所示。測試得到的濾波器中心頻率為2.45 GHz,通帶內(nèi)插入損耗小于2.50 dB,回波損耗大于18.9 dB,傳輸零點(diǎn)的頻率分別為2.58 GHz 和2.79 GHz。

圖15 仿真與測試結(jié)果對比Fig.15 Comparison of simulation and test results

以上結(jié)果表明:仿真與測試的結(jié)果具有良好的一致性,兩者之間的誤差主要是由基板、加工誤差和SMA 接頭的焊接誤差造成的。

3 結(jié)論

本文提出并設(shè)計(jì)了一款基于折疊型開口環(huán)的微帶帶通濾波器。該濾波器通過階梯阻抗開口環(huán)諧振器和缺陷地結(jié)構(gòu)在濾波器的帶外引入了兩個傳輸零點(diǎn),提高了濾波器的高頻帶外抑制能力,并且保證了通帶性能和結(jié)構(gòu)的緊湊特性。通過對實(shí)物進(jìn)行加工測試,實(shí)測結(jié)果與仿真基本一致,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性。該濾波器的尺寸為42 mm×20 mm,滿足了小型化和高帶外抑制的要求。因此,該濾波器的高帶外抑制性能和緊湊的尺寸使其在現(xiàn)有的無線通信應(yīng)用中具有很好的集成潛力。