《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于相鄰-非相鄰耦合的小型化微帶帶通濾波器
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
饒曉紅1,,倪 飄2,,金海焱3,黃 濤3,黃永茂3
1.重慶川儀軟件有限公司 產(chǎn)品研發(fā)部,,重慶401121,;2.成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都610059,; 3.電子科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,,四川 成都611731
摘要: 提出了一種小型化微帶帶通濾波器,,包含4個(gè)折疊階梯阻抗諧振器,。與傳統(tǒng)均勻阻抗諧振器和階梯阻抗諧振器相比,折疊階梯阻抗諧振器充分利用其所占電路區(qū)域,,可節(jié)約近50%的電路尺寸,。由于同時(shí)存在相鄰和非相鄰耦合,該濾波器中可構(gòu)建起3組不同的交叉耦合路徑對(duì),,以產(chǎn)生3個(gè)不同的傳輸零點(diǎn),,從而有效提高濾波器的選擇性和阻帶寬度。濾波器樣品的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好,,其過渡帶滾降速度達(dá)100 dB/GHz,,且抑制度優(yōu)于33 dBc時(shí)的阻帶達(dá)11.5 GHz。與一些同類工作相比,,該濾波器的相對(duì)電尺寸縮減23%,,滿足微波電路的小型化需求。
中圖分類號(hào): TN713
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181080
中文引用格式: 饒曉紅,,倪飄,,金海焱,等. 基于相鄰-非相鄰耦合的小型化微帶帶通濾波器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,,44(7):11-14.
英文引用格式: Rao Xiaohong,,Ni Piao,,Jin Haiyan,et al. Miniaturized microstrip bandpass filter based on adjacent-nonadjacent coupling[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(7):11-14.
Miniaturized microstrip bandpass filter based on adjacent-nonadjacent coupling
Rao Xiaohong1,Ni Piao2,,Jin Haiyan3,,Huang Tao3,Huang Yongmao3
1.Department of Technology Research and Development,Chongqing Chuanyi Software Co.,,Ltd.,,Chongqing 401121,China,; 2.School of Information Science and Technology,,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,,China,; 3.School of Information and Communication Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,, Chengdu 611731,,China
Abstract: A miniaturized microstrip bandpass filter is presented. The proposed filter consists of four folded stepped-impedance resonators. As compared with its corresponding conventional uniform-impedance resonator or stepped-impedance resonator counterparts, the folded stepped-impedance resonator can save nearly 50% circuit size since it takes full advantage of its occupied circuit area. Owing to the simultaneous existence of the adjacent and nonadjacent coupling in the proposed bandpass filter, three different cross-coupling path-pairs can be established to generate three different transmission zeros, which can improve the selectivity performance and width of stopband of the proposed filter effectively. Measured results of the prototyped filter agree with its simulations quite well. Meanwhile, the prototyped filter performs roll-off speed of 100 dB/GHz, and its upper stopband can be up to 11.5 GHz with relative rejection over 33 dBc. Compared with some similar works, the prototyped filter achieves electrical-size-reduction of 23%, which can satisfy the requirements of miniaturization of microwave circuits.
Key words : coupling topology;bandpass filter,;stepped impedance resonator

0 引言

    近年來,,隨著無線通信、雷達(dá)和傳感技術(shù)的飛速發(fā)展,,各種射頻電子系統(tǒng)對(duì)小型化高性能帶通濾波器的需求越來越迫切,。在微帶線、共面波導(dǎo),、金屬波導(dǎo),、帶狀線和新型基片集成波導(dǎo)等導(dǎo)波結(jié)構(gòu)中,微帶線因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、性能優(yōu)良,、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)而最具吸引力[1]。金屬波導(dǎo)具有非平面結(jié)構(gòu),,不便于與其他電路和元件集成,,而共面波導(dǎo)和帶狀線的結(jié)構(gòu)均比微帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜。并且,,與其他導(dǎo)波結(jié)構(gòu)相比,,采用微帶線更容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)精細(xì)、耦合機(jī)理復(fù)雜,、尺寸緊湊的帶通濾波器,。此外,對(duì)于10 GHz以下的射頻和低段微波頻率,,金屬波導(dǎo)和基片集成波導(dǎo)的物理尺寸均比工作頻率相同的微帶線尺寸更大,,不利于微波系統(tǒng),特別是系統(tǒng)集成與封裝的應(yīng)用,。因此,,目前的研究更傾向于采用微帶技術(shù)實(shí)現(xiàn)小型化高性能微波帶通濾波器,。

    在已有文獻(xiàn)報(bào)道中,階梯阻抗諧振器[2],、缺陷地結(jié)構(gòu)[3]等各種電磁結(jié)構(gòu),,以及電磁混合耦合機(jī)理[4]、交叉耦合拓?fù)?/a>[5]等各類設(shè)計(jì)技術(shù),,已被廣泛用于各種高選擇性和寬阻帶濾波器的研究中,。階梯阻抗諧振器、復(fù)合左右手傳輸線[6]等結(jié)構(gòu)的電尺寸緊湊,,常被用來縮減濾波器的尺寸,。一些改進(jìn)型結(jié)構(gòu),如階梯阻抗互補(bǔ)開環(huán)諧振器等[7],,也已被提出并應(yīng)用于小型化濾波器的設(shè)計(jì),。針對(duì)射頻系統(tǒng)對(duì)小型化高性能帶通濾波器的迫切需求,本文介紹一種基于折疊階梯阻抗諧振器(Folded Stepped-Impedance Resonator,,F(xiàn)SIR)與相鄰-非相鄰耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合,,具有高選擇性、寬阻帶和小型化特點(diǎn)的微帶濾波器,。

1 折疊階梯阻抗諧振器的理論分析

    根據(jù)文獻(xiàn)[1]的論述,,常用的微帶諧振器大致可分為全波長(zhǎng)、半波長(zhǎng)和四分之一波長(zhǎng)3種類型,。圖1給出了從傳統(tǒng)的半波長(zhǎng)均勻阻抗諧振器到半波長(zhǎng)階梯阻抗諧振器和半波長(zhǎng)FSIR的演進(jìn)過程,。首先,將半波長(zhǎng)均勻阻抗諧振器的中間和兩端部分調(diào)整為不同寬度,,即可得到半波長(zhǎng)階梯阻抗諧振器,。在此基礎(chǔ)上,將半波長(zhǎng)階梯阻抗諧振器沿其橫向中心線向中間折疊,,即可得到半波長(zhǎng)FSIR結(jié)構(gòu),。

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    圖2給出了半波長(zhǎng)FSIR的結(jié)構(gòu)示意圖。其中,,Yin表示從FSIR的其中一端看進(jìn)去的輸入阻抗,,ZH和ZL分別表示FSIR內(nèi)部高、低阻抗段的阻抗,,θH和θL分別表示FSIR內(nèi)部高,、低阻抗段的電長(zhǎng)度。從而,,Yin可表示為:

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    取Yin=0,,得到諧振條件為:

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    已知半波長(zhǎng)均勻阻抗諧振器發(fā)生諧振時(shí)的電長(zhǎng)度為π/2,。根據(jù)式(3)可知,,當(dāng)阻抗比ZL/ZH<<1時(shí),,θtotal可以小于π/2,從而FSIR的物理長(zhǎng)度小于均勻阻抗諧振器的物理長(zhǎng)度,,即FSIR實(shí)現(xiàn)尺寸小型化,。

    然后,對(duì)比研究圖1中的半波長(zhǎng)階梯阻抗諧振器和半波長(zhǎng)FSIR及其等效電路,。階梯阻抗諧振器的諧振頻率fs可以用電容與電感并聯(lián)回路表示:

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    Ls和Li的數(shù)值主要由階梯阻抗諧振器和FSIR的尺寸決定,。由于階梯阻抗諧振器和FSIR的物理尺寸相同,因此Ls和Li在數(shù)值上差別微弱,,可近似相等,。另一方面,與階梯阻抗諧振器相比,,F(xiàn)SIR內(nèi)部存在較強(qiáng)的容性自耦合效應(yīng),,使得Cs和Ci之間存在較為顯著的差異,最終導(dǎo)致階梯阻抗諧振器和FSIR的諧振頻率存在差別,。下面采用數(shù)值仿真方法考察物理尺寸相同的階梯阻抗諧振器和FSIR的本征諧振特性,。

    圖3給出了尺寸相同的半波長(zhǎng)階梯阻抗諧振器和半波長(zhǎng)FSIR的本征模仿真結(jié)果。根據(jù)仿真結(jié)果可知,,F(xiàn)SIR的本征諧振頻率略高于階梯阻抗諧振器的本征諧振頻率,,而FSIR的無載品質(zhì)因數(shù)(Qu)則低于階梯阻抗諧振器的無載品質(zhì)因數(shù)。所以,,折疊形式的引入使得FSIR的本征諧振頻率略微降低,。

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    其次,根據(jù)圖1中階梯阻抗諧振器和FSIR的結(jié)構(gòu)示意圖可知,,F(xiàn)SIR所占用的電路面積大約僅為傳統(tǒng)階梯阻抗諧振器所占面積的一半,。這主要是由于折疊形式的引入使得FSIR所占用的電路面積被充分利用,電路的平面利用率被極大提高,。

    綜上所述,,結(jié)合圖1和圖4的結(jié)果,折疊形式的引入使得FSIR的本征諧振頻率略微升高,,而電路尺寸卻縮減將近50%,。因此,總的來說,,F(xiàn)SIR在階梯阻抗諧振器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了尺寸縮減,,且效果顯著。

2 四階FSIR帶通濾波器設(shè)計(jì)

    基于圖2所示的FSIR結(jié)構(gòu),,可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)四階FSIR帶通濾波器,。如圖4(a)所示,該濾波器包含4個(gè)FSIR,、兩個(gè)50 Ω微帶線以及二者之間的錐形過渡,。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的論述可知,,當(dāng)4個(gè)FSIR依次緊密排列時(shí),它們之間同時(shí)存在相鄰耦合和非相鄰耦合,,從而可得到該濾波器的耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),,如圖4(b)所示,其中S和L分別表示負(fù)載,,R1~R4表示諧振器,。首先,在濾波器的源和負(fù)載之間存在一條相鄰耦合路徑S-R1-R2-R3-R4-L,。其次,,該濾波器中還存在3個(gè)非相鄰耦合路徑:S-R1-R3-R4-L、S-R1-R4-L和S-R1-R2-R4-L,。這4個(gè)耦合路徑相互組合,,可構(gòu)建3組獨(dú)立的交叉耦合路徑對(duì),進(jìn)而在濾波器中產(chǎn)生3個(gè)獨(dú)立的傳輸零點(diǎn),,以提升濾波器的選擇性和阻帶特性,。

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    設(shè)計(jì)該濾波器的中心頻率為3.5 GHz,相對(duì)帶寬為16%,,回波損耗為20 dB,。3個(gè)傳輸零點(diǎn)分別位于2.8 GHz、4.5 GHz和7 GHz,,其中,,頻率較低的兩個(gè)傳輸零點(diǎn)主要用于構(gòu)建濾波器的高選擇性,而頻率較高的傳輸零點(diǎn)主要用于抑制二次諧波,?;隈詈暇仃嚲C合方法,得到該濾波器的初始耦合矩陣為[8]

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    在帶通濾波器的設(shè)計(jì)中,,有兩個(gè)關(guān)鍵要素:一是內(nèi)部諧振器之間的相互耦合,,二是外部品質(zhì)因數(shù)(Qe)。事實(shí)上,,式(6)所示的耦合矩陣已經(jīng)完備地給出了這兩個(gè)關(guān)鍵要素,。在圖4(a)所示的濾波器結(jié)構(gòu)中,其內(nèi)部耦合系數(shù)主要由諧振器之間的間隔寬度和長(zhǎng)度決定,。間隔變窄或者變長(zhǎng),,都會(huì)引起相鄰耦合器之間的耦合強(qiáng)度增強(qiáng),通帶帶寬增大,。另一方面,,Qe可由公式Qe=2fc/BW3dB計(jì)算得到,對(duì)應(yīng)本文的四階FSIR濾波器,,Qe=12.5,。并且,,圖4(a)中,Qe主要受輸入/輸出諧振器與端口微帶線之間的錐形過渡影響,。實(shí)際設(shè)計(jì)中,需要對(duì)錐形過渡的長(zhǎng)度和縮口寬度進(jìn)行調(diào)諧,,以盡量?jī)?yōu)化濾波器性能,。最后,利用三維全波電磁仿真軟件ANSYS HFSS對(duì)該濾波器進(jìn)行仿真和優(yōu)化,,優(yōu)化后的幾何尺寸為:e1=0.2,,e2=0.18,e3=0.2,,e4=0.36,,b1=11.2,b2=0.2,,b3=5.1,,a1=0.2,a3=1.45,,wt=0.2,,lt=2,ws=1.5,,ps=2.0(單位:mm),。

    圖5給出了本文設(shè)計(jì)的四階FSIR濾波器在中心工作頻率和3個(gè)傳輸零點(diǎn)處的電場(chǎng)分布。其中,,從圖5(a)可觀察到,,在中心頻率處,電磁能量從輸入端進(jìn)入濾波器,,在4個(gè)FSIR處穩(wěn)定諧振,,然后再傳輸至輸出端,該現(xiàn)象充分驗(yàn)證了中心頻率處的通帶特性,。而在圖5(b)和圖5(c)中,,電磁能量被饋入濾波器后,在第二個(gè)諧振器處即迅速衰減,,最終無法傳播至輸出端,,這符合傳輸零點(diǎn)的特性。并且,,圖5(b)和圖5(c)中電磁能量衰減的位置不同,,間接說明了二者代表的傳輸零點(diǎn)位置不同。最后,,圖5(d)中,,電磁能量的衰減在第二,、三、四級(jí)FSIR之間均存在,,說明第3個(gè)零點(diǎn)的產(chǎn)生是多個(gè)交叉耦合路徑相互作用的綜合結(jié)果,。

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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

    采用標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板工藝加工優(yōu)化后的FSIR濾波器。加工時(shí)所用的介質(zhì)基板為Rogers/Duriod 5880,,其厚度為0.508 mm,,相對(duì)介電常數(shù)為2.2,相對(duì)磁導(dǎo)率為1,,介質(zhì)損耗角正切為0.000 9,。介質(zhì)基板表面覆蓋金屬材質(zhì)為銅,厚度為0.035 mm,。加工完成以后,,采用濕法電鍍工藝在銅質(zhì)表面鍍金,厚度為2 μm,,以便提供更好的導(dǎo)電性能,。圖6給出了加工完成的四階FSIR濾波器的實(shí)物照片,從圖中可知,,該濾波器的整體尺寸為20 mm×11.2 mm,,核心功能部分的物理尺寸為12 mm×11.2 mm,對(duì)應(yīng)導(dǎo)波波長(zhǎng)的電尺寸為0.21λg×0.20λg(其中,,λg表示微帶線在中心頻率的導(dǎo)波波長(zhǎng)),。

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    圖7給出了四階FSIR帶通濾波器的測(cè)試結(jié)果。從圖中可知,,該濾波器通帶內(nèi)的最小插入損耗約為1.6 dB,,通帶內(nèi)的回波損耗優(yōu)于15 dB,相對(duì)帶寬為15.60%,。注意到,,實(shí)測(cè)帶寬比仿真結(jié)果向下略微壓縮了一些,這主要是由于加工誤差和介質(zhì)基板的介電常數(shù)抖動(dòng)導(dǎo)致的,。此外,,從圖7中還可發(fā)現(xiàn),在該濾波器的上下過渡帶在500 MHz范圍內(nèi)迅速滾落了50 dB以上,,相當(dāng)于即滾降速度達(dá)100 dB/GHz,。同時(shí),在相對(duì)抑制度為33 dBc的情況下,,該濾波器的阻帶范圍高達(dá)11.5 GHz,,恰在工作頻率的3次諧波處。最后,從圖7中還可知,,該濾波器具有3個(gè)傳輸零點(diǎn),,為該濾波器的高選擇性和寬阻帶提供了有力支撐。

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    為了更加直觀地展示出本文提出的四階FSIR帶通濾波器的優(yōu)點(diǎn),,表1總結(jié)了四階FSIR帶通濾波器與一些同類工作的性能對(duì)比,。根據(jù)表1可知,與文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]相比,,本文提出的四階FSIR帶通濾波器的相對(duì)電尺寸最為緊湊,,并且具有最均衡的阻帶寬度和抑制度綜合性能。

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4 結(jié)論

    本文提出了一個(gè)工作在S波段的小型化四階FSIR帶通濾波器,。通過FSIR和交叉耦合的應(yīng)用,,該濾波器具有小型化和高選擇性等特點(diǎn),,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)2次和3次諧波的良好抑制,。顯然,本文提出的四階FSIR帶通濾波器有望在多種微波毫米波電路與系統(tǒng)中得到應(yīng)用,。

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饒曉紅1,倪  飄2,,金海焱3,,黃  濤3,黃永茂3

(1.重慶川儀軟件有限公司 產(chǎn)品研發(fā)部,,重慶401121,;2.成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都610059,;

3.電子科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,,四川 成都611731)

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