紧凑型双频带和三频带带通滤波器采用频率选择耦合结构加载的阶梯阻抗谐振器
金旭 张金东
西北工业大学电子信息学院，西安710072，中华人民共和国
南京理工大学JGMT部级重点实验室，
南京210094，中华人民共和国
2014年7月29日收到；于2014年11月8日接收
摘要：本文介绍了两种新型谐振器，即频率选择耦合结构加载阶梯阻抗谐振器（FSCSLSIR）和p截面负载FSCSLSIR。 给出了设计FSCSLSIR双波段带通滤波器（BPF）和p段加载FSCSLSIR三波段BPF的谐振器行为和指导原则。 所提出的双波段和三波段BPF具有非常紧凑的尺寸，分别为0.133 0.06和0.1153 0.074。此外，还可以观察到良好的回波损耗，低插入损耗和高带间隔离，并且所提出的FSCSLSIR双频带BPF具有从5.79到36GHz的超宽阻带。 实验结果与实验结果符合得很好模拟。VC 2014 Wiley Periodicals，Inc. Int J RF and Microwave CAE 25：427-435,2015。
关键词：阶梯阻抗谐振器; 带通滤波器; 双频;三频
一，导言
带通滤波器（BPF）是现代射频前端的的重要组成部分，可以增强其性能。由于容易调谐的谐振模式，阶跃阻抗分频器（SIR）已经成为高性能BPF常用结构。而且，为了实现宽阻带性能，已经提出了[1]中具有不同的寄生共振频率各种不同的k / 4 SIR和[2]中额外传输零点的双分叉末端SIR以实现此的目标。如[3]中所报告的，实现上述目的的另一种方法是将带阻谐振器嵌入到四分之一波长SIR中。尽管如此，BPFs在[1-3]中设计的是单频段，并且不能满足处理多种通信标准的要求在一个单一的系统中，双频和多频BPF是需要。到目前为止，许多结构已经广泛存在研究设计具有宽阻带的双频带BPF。使用非对称SIR [4]和短截线加载耦合线[5]，报告了两个具有大于20 GHz阻带的双频带BPF。但是，外部输入/输出阻抗介绍了文献[4]中的变换馈线和文献[5]中的低通滤波器结构，以改善滤波器的性能，从而导致大的滤波器面积。在[6]中提出了一种基于T形双模谐振器的紧凑型双波段BPF。虽然它具有紧凑的滤波器尺寸，其20分贝拒绝上阻带仅高达8.8 GHz。因此，设计紧凑和超宽带阻带双波段BPF应该做更多的工作。对于三频带BPF设计基于SIR，许多作品也有报道。在[7]中，使用组合来呈现三频带微带线BPF四分之一波长SIR。在[8]中，乘和除使用伪数字三段SIR来设计1.57 / 2.4 / 5.2 GHz三频带BPF。三节SIR也用于[9]设计带有尖锐通带裙的三频带BPF。不同的SIR在[10]中以三种期望的频率共同组合在一起。也是一种使用短截线的新型三模谐振器在文献[11]中提出了加载SIR来设计三频带BPF工作在1.575 / 2.4 / 3.5 GHz。在[12]中，修改了三节据报道SIR设计三频带BPF和低通引入结构以延伸上部阻带。在[13]中，提出了多路径嵌入式SIR，并成功应用于设计三频带BPF。
在[14]中首次提出选频耦合结构（FSCS）来设计宽带阻带滤波器。在这篇文章中，提出了频率选择耦合结构加载阶梯阻抗谐振器（FSCSLSIR），用于设计一个二阶双波段BPF，其尺寸为0.13 3 0.06 ，宽阻带从5.79到36 GHz。 然后提出了p截面加载FSCSLSIR来设计一个紧凑的尺寸为0.115千克3 0.074千克的二阶三频带BPF。详细的设计步骤，模拟和测量结果在下面的章节里进行了讨论。
II.FSCSLSIR双频带BPF设计和测量
A.模拟的FSCSLSIR的特点
图1a显示了所提出的FSCSLSIR传输线模型，带有50Omega;的X端口直接连接到它研究其谐振特性，其中theta;1 5（theta;11，theta;12）表示常规SIR的高阻抗部分的总电气长度，h2表示一个低阻抗部分的总电气长度传统的SIR。图1c所示的FSCS被嵌入到图1b中所示的常规SIR的高阻抗部分（阻抗-Z1）以构成所提出的FSCSLSIR。为了简化分析，为双频带BPF设计设计FSCS的参数预选为Zf1 =110Omega;，kf1 =0.35，theta;f1= theta;f2 =3.9，和Zf2 =45Omega;在设计频率f0 = 1 GHz，其中FSCS的低频通带覆盖从DC到约7 GHz的频率范围。在下面设计参数预选为theta; = theta;11 theta;2=35，Z1 =112Omega;，r12= Z2 / Z1= 0.5，t12 =h2 /（h11 h2）= 0.25，和t1 = h11 / h1= 0.6在f0，图2比较了所提出的单端口FSCSLSIR的输入阻抗与传统SIR的输入阻抗，其中两种谐振器的传输极对应Im（Zin）5 0 [15]。从图2可以看出，基本谐振f1从2.134移动到1.755 GHz而第一次谐波共振f2从7.369移动到5.102 GHz，FSCS嵌入到SIR后。已知的是，SIR的频率比率f2 / f1可以通过其阻抗比r12和长度比t12来调整。
[16,17]，为了进一步调查效果图3给出了f1 / f0，f2 / f0和f2 / f1对各种物理位置的变化（t1）在SIR的高阻抗部分。在图3中，虚线表示固定的f1 / f0，f2 / f0和f2 / f1没有FSCS的SIR，而带符号的实线表示FSCSLSIR的f1 / f0，f2 / f0和f2 / f1。随着t1增加，FSCSLSIR的f1总是朝着较低的频率移动而FSCSLSIR的f2先移向较低频率然后向更高的频率移动。此外，如t1增加时，FSCSLSIR的f2 / f1的值首先变为小，然后变大。因此，加载FSCS提供了另一种设计自由来调整所需的F2 / F1。因此，根据上述讨论，f1和f2的期望频率位置主要由h = h11 h12 h2确定，并且f2 / f1可以进一步通过设计参数r12，t12和t1进行调谐。在这文章中，FSCSLSIR的初始设计参数为选为theta;= theta;11 theta;2= 33.4 , Z1 112 X，r12 =Z2 /
Z1 =0.57，t12= h2 /（h1 1 h2）50.24和t1= h11 / h1=0.47，这对应于f1 = 1.9 GHz和f2 =5.2 GHz。图4给出了所提议的物理配置FSCSLSIR。建议的物理尺寸
FSCSLSIR在3D全波EM模拟中进行了优化HFSS考虑弯曲，阻抗不连续性和接地过孔的影响。优化的物理所提出的谐振器的尺寸为W1 =0.36 mm，L11 =7.6mm，L12 =8.4mm，W2=1.2mm,L2 =5.2mm。
B. FSCSLSIR双频带BPF设计所提出的是基于二阶BPF的二阶BPF
FSCSLSIR设计在基板ARlon DiClad 880（52.2和h = 0.508毫米）上。图5显示了两个提出的FSCSLSIRs组成的设计的二阶双波段BPF的拓扑结构。
耦合谐振器电路的方法应用于滤波器设计，两个50 X抽头线作为输入端口和输出端口。发现低通原型滤波器的集总电路元件值为g0 = 1.0，g1 = 1.4142，g2 = 1.4142和g3 5 1.0 [18]。级间耦合系数k12和外部品质因子Qe可以是使用方程式,计算G1G2p和Qe5g0g1 = FBW。提出的双频段规范BPF被定为第一个中心频率（CF）1.9 GHz，3 dB分数带宽为13％,第二个CF位于5.2 GHz，3 dB FBW为10.6％。所需的耦合系数k12和外部质量因子Qe在第一个CF处为k12 = 0.092和Qe = 10.9，在第二个CF处k12= 0.075和Qe =13.3。图6提出了相对于相应的物理参数提取的耦合系数和外部质量。
C. FSCSLSIR双波段BPF测量
图7给出了制造的二阶双波段BPF的照片。其总体电路尺寸为0.13 kgd 3 0.06 kgd，其中kgd表示在制造的双频带BPF的第一通带的测量的CF处的50 X微带线的引导波长。图8绘制了制造的FSCSLSIR双频带BPF的模拟和测量的S参数。模拟和测量之间可以观察到很好的一致性。有一些差异归因于制造误差以及SMA连接器。两个通带的测量CF和3 dB FBW分别为1.92 / 5.18 GHz和13％/ 10.5％。测量的两个CF插入损耗（ILs）为1.22 / 1.14 dB，而这两个频率附近的回波损耗（RLs）分别优于15/25 dB。带间隔离度从2.42到20dB优于20dB 到4.21 GHz。制造的双频带BPF还具有从5.79到36 GHz的超宽215 dB抑制电平上阻带。图9给出了| S21 | SIR之间的比较双波段BPF，FSCSLSIR双波段BPF和FSCS。因此，载频FSCS的带阻特性可能导致FSCSLSIR双频带BPF的较宽的上阻带性能[3]。表1给出这项工作与一些报道的作品之间的比较表明，所提出的双频带BPF具有更宽的阻带和更紧凑的电路尺寸。
III.p部分加载的FSCSLSIR TRIBAND BPF设计和测量
A.建议的分节的特征
由于两段SIR的前三种谐振模式很难单独进行调整，因此很难使用传统的两段式SIR来设计三频段BPF。可以验证上面第二节讨论的FSCSLSIR也很难用于设计三频带BPF。这个问题可以使用[8,9,12]中的三段式SIR来解决。在本文中，提出了加载p剖面的FSCSLSIR来设计三频带BPF，并且加载的p剖面包括两个阻抗Z3部分和一个阻抗Z4部分。图10给出了所提出的p剖面加载的FSCSLSIR的传输线模型。为了简化分析和设计，FSCS的设计参数在f0 =1 GHz时默认为Zf1 = 110 X，kf1 =0.35，hf1 = hf2 =3.5和Zf2 =38 X，部分SIR是在f0 =1 GHz时预选为Z1 = 105 X和r12 = Z2 / Z1= 0.67，p截面Z3的高阻选为85 X和t12= h2 /（h1 h2）= f39在f0 = 1 GHz，FSCS和p段之间的电气空间预设为h12 = 1.6在f0 = 1 GHz。在预设的参数下h =h1 h2 = 40#39;，t1 = h11 / h1 = 0.4，在f0 =1 GHz下，tp =（h3 1 h4）/ h 5 0.4，t34 = h3 /（h3 h4）=0.6，Z3 =85 x和r34 =Z4 / Z3 = 0.7图11绘出了单端口输入 - FSCSLSIR的阻抗，p-section加载的SIR和提出的p-section加载的FSCSLSIR，其表明所提出的p截面加载的FSCSLSIR在期望的频率范围内具有三个谐振模式。已知f1，f2和f3的频率位置主要取决于SIR的总电气长度（h）。
为了进一步研究所提出的p截面加载FSCSLSIR的特性，图12给出了f1 / f0，f2 / f0，f3 / f0，f2 / f1和f3 / f1随变化t1，tp，t34，Z3和r34。因此，可以首先调整h，tp和t34以获得期望的f1。当r34如图12c所示变化时，由于f1几乎保持不变，因此可以调整r34以获得所需的f2。由于当t1如图12a所示变化时，f1和f2几乎保持不变，因此可以最终调整t1以获得所需的f3。对于位于的三频带BPF
f1 = 1.2 GHz，f2 =3.5 GHz和f3 = 5.8 GHz时，p截面负载FSCSLSIR的设计参数优化为theta; =theta;11 theta;2 =38 , t1= h11 / h1 =0.42，tp =（h3 h4）/ h = 0.4，t34 = h3 /（h3 h4）50.58，Z3 =85 X，和r34 = Z4 / Z3 = 0.7在f0= 1 GHz处。图13给出了提出的p剖面加载FSCSLSIR的物理配置。在三维全波电磁仿真HFSS中对所提出的p-section加载的FSCSLSIR的物理尺寸进行了优化，以考虑弯曲的影响，阻抗不连续性和接地过孔。所提出的p截面FSCSLSIR的最终物理尺寸为W1 =0.4mm，L11 = 6.0mm，L12 = 1.0mm，L13 =7.4mm，W2 =0.8mm，L2 = 8.8mm，Wf1 =0.25 mm，Lf1 =2.1 mm，Gf1 = 0.3 mm，Wf2 = 2.3 mm，Lf2 = 2.1 mm，W3 =0.65 mm，L3 =5.8 mm，W4 = 1.4 mm，L4 = 4.05 mm和D= 0.5 mm 。
B. p-Section加载的FSCSLSIR三频带BPF设计
所提出的基于p-section加载FSCSLSIR的二阶三频带BPF也是在ARLON DiClad 880（5 2 2.2和5 5 0.508 mm）基础上设计的。图14显示了设计的二阶三频带BPF的拓扑结构，该结构由两个建议的p段加载的FSCSLSIR构成。集总电路元件的值
发现低通原型滤波器为g0 = 1.0，g1 = 1.4142，g2 = 1.4142和g3 = 1.0 [18]。所提出的三频带BPF的详细说明被设定为位于1.2GHz的第一个CF，具有8％的3分贝FBW，第二CF位于3.5 GHz，3 dB FBW为9％，第三个CF位于5.8 GHz，3 dB FBW为6％。所需耦合系数k12和外部品质因子Qe在第一个CF处为k12 5 0.057和Qe 5 17.7，在第二CF处k12 5 0.064和Qe 5 15.7，k12 5 0.043，
第三CF的Qe 5 23.6。图15给出了提取的耦合系数和相对于相应物理参数的外部质量。C. p-段加载的FSCSLSIR三频带BPF测量图16给出了制造的二阶三频带BPF的照片。其总体电路尺寸为0.115千克plusmn;0.074千吨，其中kgt表示在制造的三频带BPF的第一通带的测量的CF处的5
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