“凸”型谐振结构双频滤波器分析

崔冬暖，王建辉

(1.中国电子科技集团公司第54研究所北京研发中心，北京 100070;2.中国电子科技集团公司第54研究所通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北石家庄 050081;3.北京工业大学软件学院，北京 100022)

随着通信行业和Internet的快速发展，视频、图像等多媒体业务已经被引入个人移动通讯设备;客户从运营商获得的服务也越来越多，语音、数据传输、游戏、视频、上网、全球定位等，所以多频通信系统已成为目前研究的热点，双频或多频滤波器更是研究重点。如果能设计出性能良好且能实现双频带或多通带特性的单个滤波器，整个收发机的体积必将会大幅减小，不但提高了整个系统可靠性，而且降低了设备成本，所以研究多频滤波器的设计理论和方法对多频通信收发机的发展具有重要的现实意义。

常见的多频段滤波器设计方法有两种:第一种，由多个滤波器通过不同方式组合构成，包括:(1)宽通带滤波器与带阻滤波器串联的组合［1－3］;(2)工作在不同频率处的多个带通滤波器的并联组合［4－10］，这种方法设计的滤波器一般体积较大，损耗也不小。第二种方法是利用谐振器的寄生谐振频率来设计多频滤波器［11］，这种形式的滤波器存在的缺憾是两个通带特性是相互关联的，设计的滤波器不够灵活，两个频带不能进行独立控制。

本文提出一种新颖的谐振结构，由于结构类似于汉字“凸”，因此起名为“凸”型谐振器，通过对该结构的谐振模式进行分析，最后选用合适的馈电结构和物理参数设计双频滤波器。

1 双频滤波器的结构

在多频滤波器的设计中，高性能谐振器主要是指谐振器具有良好的谐振特性，尤其是前几个谐振频率较容易控制，直接关联到多频滤波器通带频率的可控性。采用的谐振器结构如图1所示，它由两个相同的平行耦合线和两段不同长度的微带线组成，其中谐振器两端的耦合线长度均为第一个通带频率处的λ1/4，另外两段微带线长度为第二通带频率处λ2/4，3λ2/4，主要起着调节滤波器第二个通带的作用。馈电方式采用同方向侧面耦合馈电的形式，也可以把馈线弯折从左右两面进行馈电。

图1 谐振器的结构

2 “凸”型谐振器分析

采用弱耦合的方式对图1的谐振器进行分析，在仿真过程中考虑金属损耗和介质损耗，介质板是Rogers 4350B的板材，介电常数是ε=4.38，介质厚度是h=0.762 mm，损耗角正切δ=0.003 7。利用三维电磁仿真软 Ansoft HFSS进行建模，耦合线长度是13 mm，线间距离为0.15 mm，线宽为0.35 mm，谐振器中间微带线长度为9 mm，线宽为0.35 mm，通过弱耦合馈入电磁波信号，得到谐振器的频率响应，图2给出了仿真的谐振器的传输模式曲线，可以看到谐振峰的位置分别为 2.25 GHz、2.6 GHz、3.79 GHz、4.1 GHz。其中，谐振峰中 f1、f2靠得较近，f3、f4相邻，这样的频率响应使得可以利用该谐振结构设计双频滤波器，使f1、f2处于滤波器的第一通带，f3、f4处于第二通带。设谐振器两端的耦合线长度为l，研究谐振器的传输模式随耦合线长度l的变化，图3给出了l分别为13 mm、15 mm、17 mm的谐振模式分布曲线。经过图中的观察分析，随着谐振器两端耦合线长度的增加，4个模式的谐振频率整体向低频率移动。此时推断参数不只是仅仅改变了滤波器的第一通带的选频特性，第二通带的频率位置也会受到影响，变化会比较大。

在仿真时选用侧面馈电的形式，考虑到实际制作工艺的限制，耦合线间距太小不易实现，同时要考虑到馈源与负载间只有得到充分的耦合，能量才能更好地进行传递，综合考虑，选取耦合馈线和谐振器的距离为0.15 mm。馈线与负载耦合线的长度通过电磁仿真确定，如图4所示，分别给出了耦合馈线长度为l2=9 mm，L2=13 mm时滤波器的频率响应曲线，图中显示，滤波器对第一通带和第二通带间的频段抑制效果良好，但谐振峰f1、f2并没有形成滤波器的第一个通带。图5给出了未加载开路枝节的滤波器仿真结果。这就需要寻求一种方法把f1、f2组合到一起的办法，通过在滤波器结构上作一些变化，最终选取在谐振器底部中间位置加载一段开路枝节的办法解决。

在谐振结构下方加载开路枝节后的滤波器结构如图6所示，设开路枝节的长度为L;宽度为W，如何选择加载的开路枝节的长度和宽度，枝节太长会影响通带频率的位置，太短对滤波器的性能没有改善，图7给出了当W=2.0 mm，L=2.5 mm和W=1.5 mm，L=3.0 mm时滤波器的频率响应，有图中的仿真结果发现，两种情况下均不能达到设计要求。运用HFSS的参数优化功能，经过多次仿真优化分析，最终选取W=2.0 mm，L=3.0 mm。

图3 谐振模式随耦合线长度l变化

图4 未加载开路枝节的滤波器响应随耦合馈线长度的变化

图5 未加载开路枝节的滤波器仿真

图6 双频滤波器的实物结构

图7 加载开路枝节的频率响应

3 实物和测试结果

为验证该滤波器结构，进行了实物加工测量验证，加工采用的介质板是Rogers 4350B的板材，介电常数ε=4.38，介质厚度 h=0.762 mm，损耗角正切 δ=0.003 7。滤波器的实物结构如图6，其中所标记得参数尺寸为，w=2 mm，L=3 mm，L3=11 mm，L1=35 mm，L2=13 mm，g1=g2=0.15 mm，滤波器 S 参数测量采用Agilent N5230C矢量网络分析仪，稍加一个开路枝节进行微扰，为使信号源负载间无反射传输，采用合适的耦合馈电的办法，测试结果如图8所示，工作频率是2.4 GHz和4.0 GHz，其中第一通带的3 dB带宽为260 MHz，第二通带的3 dB带宽为270 MHz，在两个通带之间的频率部分抑制效果良好，实验证明文中提出的谐振器确实可以实现双频带的带通滤波器响应。

图8 滤波器的频率响应测试结果

4 结束语

本文提出了一种新的谐振器结构，称之为“凸”型谐振器，通过弱耦合馈入电磁波信号，得到谐振器的频率响应，对该结构的谐振模式特征进行了分析，发现在0～5 GHz的频段范围内，存在4个谐振峰，利用前两个谐振峰构造双频滤波器的第一个通带，后两个谐振峰构造滤波器的第二个通带，经仿真发现，第一个通带的效果不理想，通过在原有谐振器底部中央位置加上一段开路枝节做改进，选取合适的物理尺寸参数，可以减少滤波器的第一频带和第二频带之间的干扰，形成良好的多频带响应。同时采取合适的输入输出馈电方式，构造出一种新型结构的双频滤波器。该滤波器结构紧凑、简单，实验证明确实可以实现双频带的带通滤波器响应，实物工作频率是2.4 GHz和4.0 GHz，其中第一通带的3 dB带宽为260 MHz，第二通带的3 dB带宽为270 MHz，位于两个通带之间的频率抑制效果良好。

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