雙頻帶帶通濾波器設計方法討論

現代通信系統經(jīng)常用雙頻帶帶通濾波器來(lái)隔離同一網(wǎng)絡(luò )中的不同工作頻帶。這種濾波器的傳統設計尺寸都比較大，而且需要對兩個(gè)濾波器應用額外的組合網(wǎng)絡(luò )。但本文將要詳細討論的雙頻帶帶通濾波器設計方法可以做得非常小。它的結構相對比較簡(jiǎn)單，由兩個(gè)不對稱(chēng)分離式螺旋諧振器(ASSR)與一條微帶線(xiàn)級聯(lián)而成。由于ASSR固有的螺旋幾何特性，ASSR可以完全嵌入在微帶線(xiàn)中，因此最終設計的尺寸可以得到最大限度的縮小。本文還對這種創(chuàng )新設計作了進(jìn)一步分析，并通過(guò)一對原型來(lái)驗證這種設計方法。兩個(gè)雙頻帶濾波器分別工作在1.16GHz和1.84GHz之間以及1.80GHz和2.45GHz之間。

業(yè)界對雙頻帶帶通濾波器的微型化設計付出了諸多努力。例如，交叉耦合型濾波器就是一種相對高效的解決方案。在這種設計方法中，一個(gè)帶雙諧振頻率響應特性的等長(cháng)開(kāi)口環(huán)諧振器被用作該濾波器的設計基礎。在一個(gè)實(shí)例中，交叉耦合型雙頻帶帶通濾波器是使用4個(gè)諧振器合成的，為了獲得合適的耦合系數，必須仔細調校這些諧振器的相對位置。遺憾的是，使用4個(gè)諧振器會(huì )導致插損性能降低，并且很難實(shí)現緊湊的尺寸(特別是橫截面尺寸)。

另外一種方法是將一個(gè)開(kāi)環(huán)諧振器和一根并聯(lián)開(kāi)路短截線(xiàn)用作緊湊型雙頻帶帶通濾波器的設計基礎。這里設計和制造的是三個(gè)優(yōu)化了帶外抑制性能的雙頻帶濾波器。在這些原型中，第二個(gè)通帶可以通過(guò)調整特定并聯(lián)開(kāi)路短截線(xiàn)的位置和長(cháng)度進(jìn)行控制。另外還有一種基于彎曲階梯阻抗諧振器(SIR)的微型平面雙頻帶帶通濾波器。這種濾波器的雙頻帶響應取決于SIR的主要幾何參數，而緊湊尺寸是通過(guò)整合U型SIR和最新耦合機制實(shí)現的。有種微型雙頻帶帶通濾波器也是使用短的和開(kāi)路的四分之一波長(cháng)SIR的組合式耦合結構實(shí)現的?？傊?，這些不同的雙頻帶濾波器設計方法都依賴(lài)于一個(gè)具有雙諧振模式的基本單元。

本文提供了創(chuàng )建緊湊、雙頻帶帶通濾波器的不同設計方法。在這種新方法中，濾波器由兩個(gè)通過(guò)微帶線(xiàn)連接起來(lái)的級聯(lián)式ASSR組成。這些ASSR是單平面雙螺旋諧振單元和對稱(chēng)分離型螺旋諧振器的改進(jìn)版本。由于其特殊的幾何特性，這種ASSR可以完全嵌入微帶饋線(xiàn)，進(jìn)而直接形成具有緊湊橫截面尺寸的相應元件。一般來(lái)說(shuō)，ASSR是一種通過(guò)電磁(EM)耦合方式工作的帶通單元。在當前設計中，第一個(gè)通帶取決于A(yíng)SSR的固有通帶，而第二個(gè)通帶是由ASSR組成的等阻抗網(wǎng)絡(luò )和相連微帶線(xiàn)組合創(chuàng )建的。這樣，第二個(gè)通帶就可以獨立于第一個(gè)通帶進(jìn)行調整，方法是將相連的微帶線(xiàn)長(cháng)度作為可變參數。這個(gè)結論也將通過(guò)電路模型分析得到驗證。

在這種分析的基礎上，我們設計和制造了兩個(gè)不同的雙頻帶帶通濾波器來(lái)展示分析的有效性。根據我們所掌握的知識，由于具有特別緊湊的橫截面尺寸，這些雙頻帶帶通濾波器是至今為止所有文獻中報告的最窄的濾波器。

圖1 顯示了這種雙頻帶帶通濾波器中使用的ASSR版圖(a)以及推薦濾波器(b)。每個(gè)ASSR由兩個(gè)分開(kāi)的、互相不對稱(chēng)的矩形螺旋圖形組成。由于矩形螺旋的旋轉幾何特性，給定單元可以完全嵌入微帶線(xiàn)內，從而實(shí)現特別緊湊的橫截面尺寸。這樣，ASSR寬帶W1保持為4.6mm不變，相當于在Rogers公司的RT/duroid 5880印刷電路板(PCB)基板上制造的50Ω微帶線(xiàn)的寬度，這種基板的相對介電常數是2.2，厚度為1.5mm。這些材料數值還被用于仿真。由于電路制造公差(在W1=4.6mm時(shí)約為0.1mm)帶來(lái)的限制，用于尺寸W3和W4的值是受限的。對這些雙頻帶帶通濾波器設計來(lái)說(shuō)，這里使用的是W3=0.6mm和W4=0.3mm時(shí)的值。在一個(gè)耦合型微帶線(xiàn)濾波器的常用模型中，這些值將通過(guò)電磁耦合支持有效帶通屬性。該預測將通過(guò)L1(帶通濾波器的主要調整參數)的參量分析方法得到驗證，結果如圖2所示。

圖1：版圖顯示了ASSR(a)和推薦的雙頻帶帶通濾波器(b)，這種濾波器采用了一對ASSR以及與之相連的微帶傳輸線(xiàn)。

圖2：仿真結果展示了作為L(cháng)1函數的S21隨L1而發(fā)生的變化。在本例中，W3=0.6mm，W4=0.3mm，W2=0.1mm。

如圖2所示，ASSR所形成的通帶頻率會(huì )隨著(zhù)L1的增加而向下移動(dòng)。同時(shí)，隨著(zhù)L1的增加，通帶的頻率選擇性會(huì )有所增強。因此，通過(guò)調整L1可以實(shí)現所需的通帶。設計雙頻帶帶通濾波器所需的ASSR和相關(guān)微波組件是一個(gè)很好的開(kāi)始。

本文推薦的雙頻帶帶通濾波器可以通過(guò)級聯(lián)兩個(gè)ASSR和長(cháng)度用W5表示的微帶線(xiàn)來(lái)合成(圖1)。為清楚地表明這些ASSR的特定工作原理，圖3提供了相應的等效電路模型。相連的微帶線(xiàn)用電感L2表示，ASSR用電容C1和電感L1及互感Lm表示。從模型可以看出，一個(gè)通帶主要由ASSR決定，另一個(gè)通帶取決于電感L2和ASSR等效阻抗網(wǎng)絡(luò )的組合作用。