創(chuàng)新雙頻帶帶通濾波器設計

現(xiàn)代通信系統(tǒng)經(jīng)常用雙頻帶帶通濾波器來隔離同一網(wǎng)絡中的不同工作頻帶。這種濾波器的傳統(tǒng)設計尺寸都比較大，而且需要對兩個濾波器應用額外的組合網(wǎng)絡。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(jié)構(gòu)相對比較簡單，由兩個不對稱分離式螺旋諧振器（ASSR）與一條微帶線級聯(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)新設計作了進一步分析，并通過一對原型來驗證這種設計方法。兩個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，一個帶雙諧振頻率響應特性的等長開口環(huán)諧振器被用作該濾波器的設計基礎。在一個實例中，交叉耦合型雙頻帶帶通濾波器是使用4個諧振器合成的，為了獲得合適的耦合系數(shù)，必須仔細調(diào)校這些諧振器的相對位置。遺憾的是，使用4個諧振器會導致插損性能降低，并且很難實現(xiàn)緊湊的尺寸（特別是橫截面尺寸）。

　　另外一種方法是將一個開環(huán)諧振器和一根并聯(lián)開路短截線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，第二個通帶可以通過調(diào)整特定并聯(lián)開路短截線的位置和長度進行控制。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(shù)，而緊湊尺寸是通過整合U型SIR和最新耦合機制實現(xiàn)的。有種微型雙頻帶帶通濾波器也是使用短的和開路的四分之一波長SIR的組合式耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。總之，這些不同的雙頻帶濾波器設計方法都依賴于一個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，濾波器由兩個通過微帶線連接起來的級聯(lián)式ASSR組成。這些ASSR是單平面雙螺旋諧振單元和對稱分離型螺旋諧振器的改進版本。由于其特殊的幾何特性，這種ASSR可以完全嵌入微帶饋線，進而直接形成具有緊湊橫截面尺寸的相應元件。一般來說，ASSR是一種通過電磁（EM）耦合方式工作的帶通單元。在當前設計中，第一個通帶取決于ASSR的固有通帶，而第二個通帶是由ASSR組成的等阻抗網(wǎng)絡和相連微帶線組合創(chuàng)建的。這樣，第二個通帶就可以獨立于第一個通帶進行調(diào)整，方法是將相連的微帶線長度作為可變參數(shù)。這個結(jié)論也將通過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不同的雙頻帶帶通濾波器來展示分析的有效性。根據(jù)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：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。

　　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ASSR由兩個分開的、互相不對稱的矩形螺旋圖形組成。由于矩形螺旋的旋轉(zhuǎn)幾何特性，給定單元可以完全嵌入微帶線內(nèi)，從而實現(xiàn)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微帶線的寬度，這種基板的相對介電常數(shù)是2.2，厚度為1.5mm。這些材料數(shù)值還被用于仿真。由于電路制造公差（在W1=4.6mm時約為0.1mm）帶來的限制，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說，這里使用的是W3=0.6mm和W4=0.3mm時的值。在一個耦合型微帶線濾波器的常用模型中，這些值將通過電磁耦合支持有效帶通屬性。該預測將通過L1（帶通濾波器的主要調(diào)整參數(shù)）的參量分析方法得到驗證，結(jié)果如圖2所示。



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

　　本文推薦的雙頻帶帶通濾波器可以通過級聯(lián)兩個ASSR和長度用W5表示的微帶線來合成（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，一個通帶主要由ASSR決定，另一個通帶取決于電感L2和ASSR等效阻抗網(wǎng)絡的組合作用。



圖3：基于ASSR的雙頻帶帶通濾波器的等效電路模型。

　　從這個電路模型可以很明顯看出，雙通帶中有一個通帶主要取決于ASSR的固有通帶，另一個通帶則由相連的微帶線和ASSR等效阻抗網(wǎng)絡的組合產(chǎn)生。顯然，通帶2可以通過L2獨立進行調(diào)整。另外，ASSR的幾何參數(shù)可以同時影響兩個通帶。為示范這種模型的有效性，我們使用曲線擬合方法實現(xiàn)了以三個不同原型為目標的抽取過程。表1列出了這三種原型的幾何參數(shù)以及兩個通帶的對應中心頻率。圖3對全波仿真結(jié)果和電路仿真結(jié)果進行了比較。表2列出了集總元件的抽取結(jié)果。

　　在感興趣的特定頻率范圍內(nèi)，全波電磁仿真結(jié)果與電路級仿真結(jié)果在全部三種情況下都非常接近。兩種仿真器都非常清晰地展示了基于ASSR設計的雙頻帶現(xiàn)象，有助于驗證電路模型和推薦的雙頻帶帶通濾波器設計方法。比較表1和表2中的值可以清楚地看到，增加L1值會使兩個通帶的頻率向下移動，并在很大程度上影響到所有元件（案例1和2）。另一方面，增加W5只會降低第二個通帶的中心頻率，并且對L2有很大影響。顯然，給出的比較結(jié)果再次驗證了從電路模型得出的指導方針?？傊?，只需L1和W5兩個幾何參數(shù)（圖1），就足以高效地控制這種濾波器設計的雙頻帶操作過程。