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基于枝节加载型多模谐振器的可控带宽的紧凑的双频带通滤波器
摘要：一种紧凑的基于枝节加载多模谐振器的微带双通带滤波器被提出。这种多模谐振器分别将三个加载枝节（一个短路枝节和两个开路枝节）并联到一个简单的均匀阻抗谐振器的中心和两个对称的位置。通过适当地调节三个枝节的长度，多模谐振器的前两个谐振模式可以分配在第一通频带，而第三第四两个谐振模式分配在双频滤波器的第二通频带中。这导致所制定的具有小体积、高隔离的一种新型双频滤波器在通带中与源加载耦合的多模谐振器结合。两个耦合路径分别用于控制每个独立通频带的带宽。为了说明这一概念,两种不同的频率比率的双频滤波器被设计制造并测量。模拟和测量结果相吻合，表明15dB的抑制水平超过第一通带频率四倍的能够被获得。
1绪论
近年来,各种各样的双频带通滤波器被广泛研究和开发,以满足在现代多波段无线通信系统的需求[1]。进行了很多研究工作,提出了各种设计方法。其中，两种方法都是受欢迎的。第一种方法是把两套不同的谐振器与共用的输入和输出相结合[2,3]。两组并联谐振器被配置设计为双频滤波器[2]。为了获得在两个通带所需的外部质量因素和耦合系数，一种双频滤波器可以通过级联多波段谐振器来实现[3]。然而，这些滤波器会占用一个相对较大的区域。
第二种方法是利用一个可控谐振频率的单个谐振器设计成双频滤波器。通常情况下，双频滤波器可以由阶梯阻抗谐振器[4-9],静态加载谐振器[10-18]和环谐振器来实现[19-27]，因为他们的多波段的行为。例如,枝节加载阶梯阻抗谐振器可以被用来设计成双频带通滤波器[6,7]。然而,阶梯阻抗谐振器的谐振频率和两个通带的耦合系数是相互依赖的，每一个通带的带宽不能独立控制。
近年来，使用静态加载谐振器来设计多频带通滤波器十分受欢迎，主要因为它的谐振频率容易控制。通过使用静态加载谐振器来实现可控带宽的双频滤波器的设计在[17,18]中提到，两个通带的带宽不能够独立控制，第二通频带带宽受到两个耦合路径的影响。
多模双频滤波器使用环谐振器[19 - 27]引起了很多的关注,由于他们的密实度。在[27]中,在两个通带上带有传输极点的紧凑的双模双频带通滤波器已被报道，但是没有详细讨论这些过滤器的设计过程，包括如何控制每个通带的带宽。
在[28,29]，超宽频带通滤波器实现了基于静态加载的多模谐振器。接着在[28]这项研究中，介绍一个短路短截线和两个开路短截线加上中央均匀阻抗谐振器，如图1所示。这些存根可能为我们提供足够的自由度在双频滤波器的两个通带中放置第一个四共振模式。利用两个耦合路径实现独立控制带宽的通带。一条路径只传递上层通频带的信号，另一个路径只传输低通带频率的信号。源装载耦合也被提出可以引入可调传输零点，这样可改善两个通带之间的排斥。在静态加载型多模谐振器被定性后，基于该谐振器的带有不同频率比率的两个紧凑的双频滤波器被设计出来了。这两个模型滤波器的测量结果证实了被提出的设计原则。
图1：谐振器的结构
b 谐振器 I
c谐振器II
d谐振器III
e谐振器IV
f谐振器V
g谐振器VI
2 多模谐振器的特性
如图1所示，拟议的枝节加载型多模谐振器是由中间一个短路枝节加上两边对称位置的两个相同的开路枝节组成的统一谐振阻抗器。另外中央短路和侧开路枝节的长度分别为（2Y，theta;3）和（Y，theta;4）。这种奇偶校验法可以分析得到这种具有共振特性的谐振器是对称的。
为了简单起见，假设theta;1=theta;4。对于奇模激励，它的等效电路如图1-b（谐振器I）所示。对于偶模激励，它的等效电路如图1-c（谐振器II）所示。奇偶模的等效电路实际上是两个短路的枝节加载型谐振器。当theta;1=theta;4，奇偶模能够再次被用来分析谐振器I和谐振器II的特性。对于谐振器1，奇偶模激励的等效电路分别如图1-d（谐振器3）和图1-e（谐振器4）所示。谐振器2和谐振器4的输入导纳能够表示为：
谐振器1的共振条件取决于下面的一个方程组。
- 和（4）的解对应多模谐振器的奇模共振。谐振器3的第一共振频率设置为fodd1，谐振器4的的第一共振频率设置为
fodd2。由（3）和（4）可知，theta;2只影响fodd2而不影响fodd1。因此谐振器1能够轻松控制共振频率。
分析谐振器1的谐振模，它的长度比例定义为：
图2 在不同k之下的正常共振频率比
图2是谐振器1的设计图。根据不同的k值描绘出不同的
( fodd1/fodd2)的值。对应几个典型的k值，( fodd1/fodd2)的有效值在1.2到3.2这个范围内。图1-c的谐振器（谐振器2）能够使用相同的方法分析。奇偶模的等效电路分别表示为图1-f(谐振器5）和图1-g（谐振器6）。谐振器5的第一谐振频率设置为feven1，谐振器6的第一谐振频率设为feven2。通常情况下当klt;2时，图1-a多模谐振器的前四个谐振频率分别为feven2，fodd2，feven1 和 fodd1 ( fodd2 lt;fodd1，feven2lt;feven1)。显然，由图1-d和图1-f可知feven1=fodd1，这表示拟定谐振器的第三和第四谐振频率能够形成一个通带和两个传输极点。当theta;3asymp;0，feven2asymp;fodd2时，这以为这前两个谐振频率被挤压在一起。总之，前两个共振模式可以通过调优调到一个通带内，而第三和第四两个共振模式可以调到另一个通带内。因此所提出的多模谐振器在双频带通滤波器中有潜在的应用。带有两个传输极点的第一通带能够通过多模谐振器的前两个谐振频率（feven2，fodd2）来构造。然而第一个通带的带宽能够通过调整短路枝节的长度（theta;3）来控制。带有两个传输极点的第二通带能够通过多模谐振器的第三和第四谐振频率（feven1，fodd1）来构造。在第三节中，双频滤波器的设计方法，将会详细介绍怎样去控制每一个通带的带宽。
3 双频滤波器分析
在本节中，一种典型的基于多模谐振器的双频滤波器被提出用来分析耦合结构。图3表示双频滤波器的结构。连接微带线和地平面的通孔用一个圆直径为D）来表示。为了调整第二通带的带宽，一个额外的均衡谐振阻抗器被放置在开路枝节间，并且附加谐振器和开路谐振器的导纳是相等的。在第二通带的中心频率的附加谐振器长度大约为半波长，所以第二通带有三个传输极点。谐振器通过正常的波动来获取所需的耦合强度。
图3 典型双频滤波器的布局
双频滤波器被设计在一个基板上，这个基板的介电常数ε=2.55，损耗因数delta;=0.0029，厚度h=0.8mm。设计频率在2.45到5.2GHz，通频带有0.01dB的波动。频率比能够通过f2/f1=2.12计算出。耦合线结构是用来实现输入输出耦合，因为它有更多的自由度，设计过程见【17】。由（3）和（4）的维度来看，滤波器的最佳参数为：L1 =3.55， L2 =7.2，L3 =4.4，L4 =9.3，L5 =1.48，L6 =4.35，L7 =6.05，L8 =4.7，S2 =0.2，W1 =0.5，W2 =2 和D =0.8，单位为毫米。
在双频滤波器中有两种耦合部分，一种由短路枝节控制（L9），另一种由开路枝节和额外的均匀阻抗谐振器控制（S1）。
所需求的耦合参数和两个通带的带宽有关。图4-a表示L9的模拟耦合系数（S1=0.7mm）。耦合系数可以通过【30】中的方法提取。耦合系数K1随着L9的增大而增大（K1表示feven2与fodd2之间的耦合，K2表示fodd1与附加谐振器的基本些照片了之间的耦合），然而L9增加时，K2保持不变。这意味着短路枝节耦合只影响第一通带不影响第二通带。图4-b表示S1的模拟耦合系数（L9=2.55mm）。
图4 不同参数下的模拟耦合系数
a L9
b S1
K2与K1近似成反比，当S1增加时K1保持不变，这意味着开路枝节与附加谐振器之间的耦合只影响第二通带不影响第一通带。
此外，在图4a和图4b中标出所有L9和S1的值，可实现的带宽比D1/D2(D1 和D2分别表示第一和第二的通带带宽)在0.2和1.2之间。所以构造一个基于拟议谐振器的Delta;1＞Delta;2或Delta;1le;Delta;2的双频滤波器是可行的。
为了验证上述分析,不同的用于演示的耦合参数被提出了。如图5所示，当L9从2.15mm变化到2.95mm(其他参数不变S1=0.7mm),第二通带的带宽从0.033增加到0.049，而第一通带保持0.041不变。当S1从0.5mm变换到0.7mm（其他参数不变L9=2.55mm）第二通带从0.059减小到0.032，而第一通带保持0.041不变。因此每个通频带能够被单独控制。
为了提高滤波器的选择性，在源和负载的耦合间增加传输零点。源加载耦合受调节S2的耦合空间控制，如图6所示。通过调节S2可以很方便地控制三个附加传输零点。
根据上述讨论，这种双频滤波器的整个设计过程可以概括为以下几步。第一，根据f2/f1的频率比推导出多模谐振器的长度比率。第二，调节短路短截线长度以满足第一个通带的带宽要求。第三，调节开路枝节和附加谐振器之间的耦合来满足第二个通带的带宽。最后，选择合适的输入/输出耦合线来满足每个通频带的Q值要求(外部品质因素)。在这个过程的基础上，两个双频滤波器不同的频率比率和带宽比率设计将在第四节中讲到。
图5 不同参数下的模拟损耗
a L9
b S1
图6 在不同S2下的插入损耗
4 滤波器的设计与测试
为了验证双频滤波器的应用，基于多模谐振器的微带滤波器在这节被设计出来。双频滤波器的设计遵循标准过滤器的合成步骤。在4.1节中，f2/f1＞2的双频滤波器将被设计。f2/f1lt;2的双频滤波器将在4.2中被设计。
4.1 f2/f1＞2时的基于多模谐振器的双频滤波器设计
一种具有切比雪夫频率响应和0.01dB波动水平的双频滤波器的设计规则如表1所示。
表1 双频滤波器的规范
|
中心频率（GHz） |
规则 |
带宽 |
|
|
通带1 |
2.45 |
2 |
0.03 |
|
通带2 |
5.2 |
3 |
0.09 |
耦合系数能够通过这些参数被推导出来，这些参数为K1=0.07，Qe1=14.96，K2=0.1151，Qe2=6.99，其中K1和K2已经在第三章中讲解过了。Qe1和Qe2分别表示第一和第二通带的外部质量因素。谐振器的物理参数和部分耦合参数能够通过第三节中所讲到的方法得到。L1=5.5，L2=5.2，L3=5.5，L4
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