創(chuàng)新雙頻帶帶通濾波器設(shè)計(jì)

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(luò)中的不同工作頻帶。這種濾波器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)尺寸都比較 大，而且需要對(duì)兩個(gè)濾波器應(yīng)用額外的組合網(wǎng)絡(luò)。但本文將要詳細(xì)討論的雙頻帶帶通濾波器設(shè)計(jì)方法可以做得非常小。它的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，由兩個(gè)不對(duì)稱分離式螺旋諧振器（ASSR）與一條微帶線級(jí)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(shè)計(jì)的尺寸可以得到最大限度的縮小。本文還對(duì)這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)作了進(jìn)一步分析，并通過一對(duì)原型來驗(yàn)證這種設(shè)計(jì)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(duì)雙頻帶帶通濾波器的微型化設(shè)計(jì)付出了諸多努力。例如，交叉耦合型濾波器就是一種相對(duì)高效的解決方案。在這種設(shè)計(jì)方法中，一個(gè)帶雙諧振頻率響應(yīng)特性的等長(zhǎng)開口環(huán)諧振器被用作該濾波器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。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(shù)，必須仔細(xì)調(diào)校這些諧振器的相對(duì)位置。遺憾的是，使用4個(gè)諧振器會(huì)導(dǎo)致插損性能降低，并且很難實(shí)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(gè)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(shè)計(jì)基礎(chǔ)。這里設(shè)計(jì)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)通帶可以通過調(diào)整特定并聯(lián)開路短截線的位置和長(zhǎng)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(yīng)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(jī)制實(shí)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(zhǎng)SIR的組合式耦合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。總之，這些不同的雙頻帶濾波器設(shè)計(jì)方法都依賴于一個(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(shè)計(jì)方法。在這種新方法中，濾波器由兩個(gè)通過微帶線連接起來的級(jí)聯(lián)式ASSR組成。這些ASSR是單平面雙螺旋諧振單元和對(duì)稱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，進(jìn)而直接形成具有緊湊橫截面尺寸的相應(yīng)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(dāng)前設(shè)計(jì)中，第一個(gè)通帶取決于ASSR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)和相連微帶線組合創(chuàng)建的。這樣，第二個(gè)通帶就可以獨(dú)立于第一個(gè)通帶進(jìn)行調(diào)整，方法是將相連的微帶線長(zhǎng)度作為可變參數(shù)。這個(gè)結(jié)論也將通過電路模型分析得到驗(yàn)證。

在這種分析的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)和制造了兩個(gè)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(shí)，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(xiàn)中報(bào)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(duì)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(gè)ASSR由兩個(gè)分開的、互相不對(duì)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(shí)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(dāng)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(duì)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(shí)約為0.1mm）帶來的限制，用于尺寸W3和W4的值是受限的。對(duì)這些雙頻帶帶通濾波器設(shè)計(jì)來說，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(yù)測(cè)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(yàn)證，結(jié)果如圖2所示。

圖2：仿真結(jié)果展示了作為L(zhǎng)1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(jí)聯(lián)兩個(gè)ASSR和長(zhǎng)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(yīng)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(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。

圖3：基于ASSR的雙頻帶帶通濾波器的等效電路模型。

從這個(gè)電路模型可以很明顯看出，雙通帶中有一個(gè)通帶主要取決于ASSR的固有通帶，另一個(gè)通帶則由相連的微帶線和ASSR等效阻抗網(wǎng)絡(luò)的組合產(chǎn)生。顯然，通帶2可以通過L2獨(dú)立進(jìn)行調(diào)整。另外，ASSR的幾何參數(shù)可以同時(shí)影響兩個(gè)通帶。為示范這種模型的有效性，我們使用曲線擬合方法實(shí)現(xiàn)了以三個(gè)不同原型為目標(biāo)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(gè)通帶的對(duì)應(yīng)中心頻率。圖3對(duì)全波仿真結(jié)果和電路仿真結(jié)果進(jìn)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(jí)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(shè)計(jì)的雙頻帶現(xiàn)象，有助于驗(yàn)證電路模型和推薦的雙頻帶帶通濾波器設(shè)計(jì)方法。比較表1和表2中的值可以清楚地看到，增加L1值會(huì)使兩個(gè)通帶的頻率向下移動(dòng)，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(huì)降低第二個(gè)通帶的中心頻率，并且對(duì)L2有很大影響。顯然，給出的比較結(jié)果再次驗(yàn)證了從電路模型得出的指導(dǎo)方針。總之，只需L1和W5兩個(gè)幾何參數(shù)（圖1），就足以高效地控制這種濾波器設(shè)計(jì)的雙頻帶操作過程。