基于容性負(fù)載開環(huán)諧振器的雙頻帶通濾波器

　　1 引言

　　雙頻帶通濾波器在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中扮演了重要的角色，例如：全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)、寬帶碼分多址(WCDMA)、無(wú)線本地局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)都要求產(chǎn)品或終端同時(shí)工作在多個(gè)頻段。在過(guò)去，平面的雙頻帶通濾波器由兩個(gè)工作在不同頻段的濾波器組成。在開環(huán)諧振器中間點(diǎn)位置并聯(lián)開路枝節(jié)被用來(lái)設(shè)計(jì)緊湊雙頻帶通濾波器，通過(guò)調(diào)節(jié)開路枝節(jié)的長(zhǎng)度和位置控制諧振器的偶模產(chǎn)生所需要的第二個(gè)通帶。利用類交趾階躍阻抗諧振器設(shè)計(jì)工作在無(wú)線局域網(wǎng)(2.4/5.2 GHz)的雙頻帶通濾波器。官雪輝等人利用慢波開環(huán)諧振器來(lái)設(shè)計(jì)雙頻帶通濾波器，以達(dá)到濾波器小型化的目的。Chu[7]等人利用一種新型的能夠產(chǎn)生3個(gè)傳輸零點(diǎn)的耦合結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)雙頻帶通濾波器。

　　無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的IEEE 802.11b 和IEEE 802.11g協(xié)議要求產(chǎn)品或終端分別工作在2.4、2.45GHz，IEEE 802.11a協(xié)議則要求工作在5.2-5.8GHz頻段內(nèi)。本文提出一種同時(shí)工作在2.45、5.2GHz的雙頻帶通濾波器，。通過(guò)減少內(nèi)部的U型枝節(jié)和外部的開環(huán)諧振器之間的耦合距離，便可以減少諧振器的基頻諧振頻率和寄生諧振頻率，從而達(dá)到濾波器小型化的目的。最后，該濾波器的測(cè)試效果和仿真結(jié)果吻合的較好。

　　2 濾波器的設(shè)計(jì)

　　圖1展示了本文所提出的工作在WLAN頻段的雙頻帶通濾波器。它由容性負(fù)載諧振器和四分之一波長(zhǎng)匹配線組成。在傳統(tǒng)的正方形開環(huán)諧振器里加入兩根相同的兩端開路的U型枝節(jié)，便組成了具有慢波效應(yīng)的諧振器，這并不增大濾波器的體積。四分之一波長(zhǎng)傳輸線(對(duì)于2.45GHz)連接諧振器和輸入輸出端的50om饋線，以達(dá)到阻抗匹配的目的。因?yàn)榧纳C振頻率(5.2GHz)大致是基頻諧振頻率(2.45GHz)的兩倍，該四分之一波長(zhǎng)傳輸線對(duì)于(5.2GHz)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于二分之一波長(zhǎng)傳輸線，沒有阻抗變換的作用。該四分之一波長(zhǎng)傳輸線的寬度為0.6mm，特性阻抗為80om。

　　圖1 雙頻帶通濾波器的結(jié)構(gòu)圖

　　通過(guò)EM仿真軟件Sonnet EM[9]，我們就可以確定諧振器諧振時(shí)對(duì)應(yīng)的物理尺寸，接下來(lái)通過(guò)該軟件就可以確定諧振器之間的耦合系數(shù)了。這里我們采用電耦合方式，設(shè)計(jì)所需要的耦合系數(shù)由下列式子決定[10]：

(1)

、

分別是諧振器分裂諧振模式頻率所對(duì)應(yīng)的高、低諧振頻率。耦合系數(shù)與兩諧振器之間的耦合距離關(guān)系如圖2所示：

　　圖2 耦合系數(shù)與諧振器之間的距離關(guān)系圖

　　設(shè)計(jì)濾波器的微帶介質(zhì)板參數(shù)如下：相對(duì)介電常數(shù)2.78，介質(zhì)板厚度0.8mm。經(jīng)過(guò)軟件的優(yōu)化仿真，本文所提出的濾波器具體物理尺寸如下：W1=1.0mm, W2=0.6mm, W3=2.0mm, L1=8.4mm, L2=9.0mm, L3=3.0mm, L4=7.0mm,

　　L5=7.2mm, G1=0.2mm, G2=0.4mm, G3=0.4mm, G4=0.2mm.

　　3 仿真與測(cè)試結(jié)果

　　圖3所示濾波器的加工實(shí)物圖，由于采用了容性負(fù)載諧振器，濾波器的尺寸較小，顯得較為緊湊。

　　如圖4所示，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合的較好。虛線代表的是仿真結(jié)果，仿真時(shí)考慮了介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗(介質(zhì)損耗正切角0.002，銅的導(dǎo)電率5.8ⅹ107 S/M)，由于采用了0°饋電結(jié)構(gòu)，通帶兩端各有一個(gè)傳輸零點(diǎn)以來(lái)提高濾波器的頻率選擇性。

　　圖3 雙頻帶通濾波器的實(shí)物圖

　　實(shí)線代表的是采用Agilent 8722ES 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試結(jié)果。濾波器中心頻率分別為2.16、5.16GHz，3-dB百分比帶寬分別為10.4、7.1%，通帶內(nèi)的插入損耗分別為2.06、2.86dB，三個(gè)傳輸零點(diǎn)分別在1.98、3.31、5.76GHz實(shí)現(xiàn)，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合的較好。

　　圖4 濾波器的仿真與測(cè)試結(jié)果

　　4 結(jié)論

　　本文提出一個(gè)基于容性負(fù)載諧振器的雙頻帶通濾波器(2.45/5.2GHz)。采用0°饋電方式，使得在通帶兩端各有一個(gè)傳輸零點(diǎn)以來(lái)提高濾波器的頻率選擇性。四分之一波長(zhǎng)傳輸線被用來(lái)在輸入和輸出端的阻抗匹配。最后，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合的較好，證實(shí)了本文設(shè)計(jì)的有效性。