一款新型雙模雙通帶濾波器的設計方案

　　隨著(zhù)現代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，同時(shí)工作在兩個(gè)或多個(gè)頻段的通信系統成為無(wú)線(xiàn)通信研究的一個(gè)重要方向，因此多頻微波元件是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一，這帶動(dòng)了多頻濾波器技術(shù)的發(fā)展。例如無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）和寬帶互通微波接入（WiMAX）等。目前的WLAN 主要工作在2.45 GHz（2.4~2.484 GHz）、5.2 GHz（5.15~5.35 GHz）和5.8 GHz（5.725~5.825 GHz），而WiMAX工作在2.5 GHz（2.5~2.69 GHz）、3.5 GHz （3.4~3.69 GHz）和5.5 GHz（5.25~5.85 GHz）。另一方面，具有小型化、低成本、易制作等特性的多頻段濾波器已經(jīng)成為現代無(wú)線(xiàn)通信系統中最重要的電路組成器件之一。

　　微帶雙模濾波器由于結構簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、成本低、易于集成、插入損耗低，且固有的階數是傳統濾波器階數的一半，能夠減小尺寸，使結構更緊湊，因此在衛星通信和無(wú)線(xiàn)通信中得到了廣泛的應用，同時(shí)受到了許多研究人員的關(guān)注和重視。在20世紀70年代，Wolff首次提出并設計了第一個(gè)微帶雙模濾波器，此后人們便開(kāi)始了對微帶雙模濾波器的研究，其在濾波器領(lǐng)域扮演著(zhù)重要角色。

　　本文一種新型應用于WLAN/WiMAX 的雙模雙通帶濾波器的設計方案，方案是在對稱(chēng)T 型開(kāi)路支節加載雙模諧振器的基礎上，先對其奇偶模原理進(jìn)行了分析，接著(zhù)對雙模諧振器的電場(chǎng)分布和電流分布進(jìn)行分析，最后設計出了一個(gè)應用于WLAN 和WiMAX 頻段的雙通帶濾波器。此雙模濾波器的兩個(gè)通帶是獨立可控的，可分別通過(guò)調節奇模偶模來(lái)實(shí)現。本方案所設計的濾波器在帶外實(shí)現了3個(gè)傳輸零點(diǎn)，實(shí)現了寬阻帶抑制。并通過(guò)仿真、加工、測試，最后的實(shí)測結果與仿真結果一致性很好，完全達到了方案設計要求。這種插損低、尺寸小、高選擇性的新型雙模結構，具有很大的潛在應用價(jià)值。

　　1 對稱(chēng)T 型開(kāi)路支節加載分析

　　本文所提出的對稱(chēng)T 型開(kāi)路支節加載的雙模諧振器是由一個(gè)半波長(cháng)階躍阻抗諧振器和兩個(gè)對稱(chēng)的T型開(kāi)路枝節組成，具體結構如圖1（a）所示。

　　由于該結構關(guān)于對稱(chēng)面AA′有對稱(chēng)的特性，可以利用經(jīng)典的奇偶模分析法來(lái)對該諧振器的諧振頻率進(jìn)行分析。根據雙模諧振器模型，這種結構具有兩種諧振模式，即奇模諧振模式與偶模諧振模式。

　　以奇模電壓源激勵時(shí)，對稱(chēng)面是電壁，對稱(chēng)面AA′的電壓為零，等效為短路狀態(tài)，相應的等效電路如圖1（b）所示。

　　以偶模電流源激勵時(shí)，對稱(chēng)面是磁壁，對稱(chēng)面AA′處電流為零，等效為開(kāi)路狀態(tài)，相應的等效電路如圖1（c）所示。

　　當忽略諧振器不連續性時(shí)，奇模激勵時(shí)的輸入阻抗Zinodd 可以表示為：

　　其諧振條件為Zinodd =∞。從公式（1）可以看出，奇模諧振頻率只與θ1，θ2 ，Z1，Z2 有關(guān)，與中間對稱(chēng)T型開(kāi)路支節無(wú)關(guān)。同理，當偶模激勵時(shí)，可以得到偶模的諧振頻率與中間T型開(kāi)路支節有關(guān)，當中間對稱(chēng)T型開(kāi)路支節的結構發(fā)生變化時(shí)，偶模諧振頻率會(huì )發(fā)生相應的變化，而對奇模的諧振頻率沒(méi)有影響。

　　圖2 顯示了該雙模諧振器的奇模和偶模的電場(chǎng)分布圖。

　　如圖2（a）所示，奇模的電場(chǎng)分布主要分布在階梯阻抗諧振器的左邊和右邊，而且是對稱(chēng)的。而在對稱(chēng)T型開(kāi)路支節這部分沒(méi)有場(chǎng)強分布，顯然和支節加載部分無(wú)關(guān)。

　　同樣，從圖2（b）中可以看到，階梯阻抗諧振器和對稱(chēng)T型支節都分布有電場(chǎng)，而且電場(chǎng)是關(guān)于對稱(chēng)面AA′對稱(chēng)的，這就是偶模的電場(chǎng)分布。因此，對稱(chēng)T型支節對奇模諧振頻率不產(chǎn)生影響，只影響偶模諧振頻率。

　　圖3 顯示了對稱(chēng)T 型支節加載諧振器的電流分布圖。

　　如圖3（a）所示，表面電流主要分布在階梯諧振器的左邊和右邊，電流是從右邊支節流向左邊支節，而且對稱(chēng)T型支節對奇模是沒(méi)有影響的，這就是奇模的電流分布特性。

　　圖3（b）顯示了偶模的電流分布，整個(gè)雙模諧振器都有電流分布。從圖中可以觀(guān)察到，電流從兩個(gè)T型支節流入階梯阻抗諧振器，再流向兩端的支節，而且關(guān)于對稱(chēng)面AA′對稱(chēng)。

　　2 濾波器設計實(shí)例

　　為了驗證以上的理論分析，采用文中所討論的雙模諧振器設計了一個(gè)應用于WLAN/WiMAX的雙模雙通帶濾波器。濾波器的設計指標為：第一個(gè)通帶的中心頻率為2.4 GHz，應用于WLAN頻段；第二通帶的中心頻率為3.5 GHz，應用于WiMAX頻段；帶內插入損耗小于1 dB，帶內回波損耗都為-20 dB，在上阻帶3.8~6.9 GHz內，抑制要大于20 dB.采用的介質(zhì)板的介電常數為2.2，厚度為0.508 mm，損耗角正切tan δ =0.000 9，銅箔厚度為0.018 mm.

　　基于以上設計指標，首先根據給定的第一通帶的中心頻率確定半波長(cháng)諧振器的尺寸，而后調節對稱(chēng)T型開(kāi)路支節長(cháng)度，大致達到第二通帶的中心頻率。通過(guò)建模仿真，最終確定了諧振器的物理尺寸，得到濾波器的版圖如圖4所示，尺寸大小為14.03 mm×31.48 mm，對應的波導波長(cháng)為0.15λg × 0.34λg，總的面積為0.051λ2g，其具體的物理尺寸如下：

　　W0 = 1.54 mm，Wt = 0.57 mm，Lt = 3.12 mm，S =0.99 mm，W1 = 0.8 mm，W2 = 2.46 mm，W3 = 0.72 mm，W4 =0.94 mm，L1 = 19.47 mm，L2 = 4.12 mm，L3 = 2.63 mm，L4 = 3.33 mm，L5 = 0.79 mm，L6 = 17.86 mm.

　　由圖4 可知，源/負載與第一/二個(gè)雙模諧振器采用的是抽頭饋線(xiàn)耦合，兩雙模諧振器的兩邊支臂相互耦合。這樣的結構有利于兩個(gè)通帶的調節和結構的緊湊。

　　雙模諧振器級聯(lián)的耦合原理如圖5所示。圖中的S 表示源，L 表示負載。

　　從圖5中可以看出，源與第一個(gè)諧振器和第二個(gè)諧振器的奇模偶模都有耦合，負載也與第一個(gè)諧振器和第二個(gè)諧振器的奇模偶模都有耦合。第一個(gè)諧振器的奇模與第二個(gè)諧振器的奇模耦合，構成第一個(gè)通帶；第一個(gè)諧振器的偶模與第二個(gè)諧振器的偶模耦合，構成第二個(gè)通帶，這樣就形成了一個(gè)雙模雙通帶的濾波器。

　　圖6 顯示了濾波器在不同間距S 的情況下帶寬的特性?？梢钥吹?，耦合間距S 能有效地調節濾波器的帶寬特性，當間距S 從0.6 mm增加到1.1 mm時(shí)，濾波器的兩個(gè)帶寬明顯減小。因此可以調節S 參數來(lái)得到想要的帶寬，而且濾波器的其它特性幾乎不變。

　　圖7為該雙模濾波器的仿真結果，此結果達到了設計的要求。第一個(gè)通帶的中心頻率為2.45 GHz，第二個(gè)通帶的中心頻率為3.52 GHz，它們的帶內的反射系數都小于-20 dB，而且在帶外產(chǎn)生了三個(gè)零點(diǎn)TZ1，TZ2 ， TZ3，其頻率分別為1.98 GHz，2.93 GHz，3.935 GHz，其衰減分別為-54.3 dB，-40.7 dB，-58.1 dB.而且在上阻帶3.78~-6.94 GHz內，其衰減達到-20 dB 以下，具有非常好的帶外抑制能力。

　　圖8為加工實(shí)物圖，可以看到其尺寸比傳統的雙通帶濾波器小很多，說(shuō)明雙模諧振器具有小型化的優(yōu)點(diǎn)。

　　這里使用的測試儀器為Agilent公司的E5071C 矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀，在常溫條件下對制作的雙模濾波器進(jìn)行測試，實(shí)際測量結果與仿真結果非常吻合，如圖9所示。

　　從實(shí)測結果來(lái)看，中心頻率分別為2.44 GHz 和3.48 GHz，3 dB帶寬分別為10.7%和6.9%，對應的插入損耗為0.76 dB 和1.13 dB，帶內反射分別優(yōu)于19.2dB 和15.1 dB.帶外產(chǎn)生了三個(gè)零點(diǎn)TZ1，TZ2，TZ3，其頻率分別為1.96 GHz，2.94 GHz，3.91 GHz，其衰減分別為-53.8 dB，-43.9 dB，-45.6 dB.在上阻帶3.75~7.33 GHz內，其衰減達到-20 dB 以下。由此可見(jiàn)，雙模雙通帶濾波器的性能非常好。

　　3 結論

　　本文提出了一種新型應用于WLAN/WiMAX 的雙模雙通帶濾波器的設計方案，方案是在對稱(chēng)T 型開(kāi)路支節加載雙模諧振器的基礎上，先對其奇偶模原理進(jìn)行了分析，接著(zhù)對電場(chǎng)分布和電流分布分析，最后設計出了一個(gè)應用于WLAN 和WiMAX 頻段的尺寸小、性能好的雙模雙通帶濾波器。