创新双频带带通滤波器设计 - 全文

　　现代通信系统经常用双频带带通滤波器来隔离同一网络中的不同工作频带。这种滤波器的传统设计尺寸都比较大，而且需要对两个滤波器应用额外的组合网络。但本文将要详细讨论的双频带带通滤波器设计方法可以做得非常小。它的结构相对比较简单，由两个不对称分离式螺旋谐振器（ASSR）与一条微带线级联而成。由于ASSR固有的螺旋几何特性，ASSR可以完全嵌入在微带线中，因此最终设计的尺寸可以得到最大限度的缩小。本文还对这种创新设计作了进一步分析，并通过一对原型来验证这种设计方法。两个双频带滤波器分别工作在1.16GHz和1.84GHz之间以及1.80GHz和2.45GHz之间。

　　业界对双频带带通滤波器的微型化设计付出了诸多努力。例如，交叉耦合型滤波器就是一种相对高效的解决方案。在这种设计方法中，一个带双谐振频率响应特性的等长开口环谐振器被用作该滤波器的设计基础。在一个实例中，交叉耦合型双频带带通滤波器是使用4个谐振器合成的，为了获得合适的耦合系数，必须仔细调校这些谐振器的相对位置。遗憾的是，使用4个谐振器会导致插损性能降低，并且很难实现紧凑的尺寸（特别是横截面尺寸）。

　　另外一种方法是将一个开环谐振器和一根并联开路短截线用作紧凑型双频带带通滤波器的设计基础。这里设计和制造的是三个优化了带外抑制性能的双频带滤波器。在这些原型中，第二个通带可以通过调整特定并联开路短截线的位置和长度进行控制。另外还有一种基于弯曲阶梯阻抗谐振器（SIR）的微型平面双频带带通滤波器。这种滤波器的双频带响应取决于SIR的主要几何参数，而紧凑尺寸是通过整合U型SIR和最新耦合机制实现的。有种微型双频带带通滤波器也是使用短的和开路的四分之一波长SIR的组合式耦合结构实现的。总之，这些不同的双频带滤波器设计方法都依赖于一个具有双谐振模式的基本单元。

　　本文提供了创建紧凑、双频带带通滤波器的不同设计方法。在这种新方法中，滤波器由两个通过微带线连接起来的级联式ASSR组成。这些ASSR是单平面双螺旋谐振单元和对称分离型螺旋谐振器的改进版本。由于其特殊的几何特性，这种ASSR可以完全嵌入微带馈线，进而直接形成具有紧凑横截面尺寸的相应元件。一般来说，ASSR是一种通过电磁（EM）耦合方式工作的带通单元。在当前设计中，第一个通带取决于ASSR的固有通带，而第二个通带是由ASSR组成的等阻抗网络和相连微带线组合创建的。这样，第二个通带就可以独立于第一个通带进行调整，方法是将相连的微带线长度作为可变参数。这个结论也将通过电路模型分析得到验证。

　　在这种分析的基础上，我们设计和制造了两个不同的双频带带通滤波器来展示分析的有效性。根据我们所掌握的知识，由于具有特别紧凑的横截面尺寸，这些双频带带通滤波器是至今为止所有文献中报告的最窄的滤波器。

 

　　图1：版图显示了ASSR（a）和推荐的双频带带通滤波器（b），这种滤波器采用了一对ASSR以及与之相连的微带传输线。

　　图1 显示了这种双频带带通滤波器中使用的ASSR版图（a）以及推荐滤波器（b）。每个ASSR由两个分开的、互相不对称的矩形螺旋图形组成。由于矩形螺旋的旋转几何特性，给定单元可以完全嵌入微带线内，从而实现特别紧凑的横截面尺寸。这样，ASSR宽带W1保持为4.6mm不变，相当于在Rogers公司的RT/duroid 5880印刷电路板（PCB）基板上制造的50Ω微带线的宽度，这种基板的相对介电常数是2.2，厚度为1.5mm。这些材料数值还被用于仿真。由于电路制造公差（在W1=4.6mm时约为0.1mm）带来的限制，用于尺寸W3和W4的值是受限的。对这些双频带带通滤波器设计来说，这里使用的是W3=0.6mm和W4=0.3mm时的值。在一个耦合型微带线滤波器的常用模型中，这些值将通过电磁耦合支持有效带通属性。该预测将通过L1（带通滤波器的主要调整参数）的参量分析方法得到验证，结果如图2所示。

图2：仿真结果展示了作为L1函数的S21随L1而发生的变化。在本例中，W3=0.6mm，W4=0.3mm，W2=0.1mm。

　　本文推荐的双频带带通滤波器可以通过级联两个ASSR和长度用W5表示的微带线来合成（图1）。为清楚地表明这些ASSR的特定工作原理，图3提供了相应的等效电路模型。相连的微带线用电感L2表示，ASSR用电容C1和电感L1及互感Lm表示。从模型可以看出，一个通带主要由ASSR决定，另一个通带取决于电感L2和ASSR等效阻抗网络的组合作用。

图3：基于ASSR的双频带带通滤波器的等效电路模型。

　　从这个电路模型可以很明显看出，双通带中有一个通带主要取决于ASSR的固有通带，另一个通带则由相连的微带线和ASSR等效阻抗网络的组合产生。显然，通带2可以通过L2独立进行调整。另外，ASSR的几何参数可以同时影响两个通带。为示范这种模型的有效性，我们使用曲线拟合方法实现了以三个不同原型为目标的抽取过程。表1列出了这三种原型的几何参数以及两个通带的对应中心频率。图3对全波仿真结果和电路仿真结果进行了比较。表2列出了集总元件的抽取结果。

　　在感兴趣的特定频率范围内，全波电磁仿真结果与电路级仿真结果在全部三种情况下都非常接近。两种仿真器都非常清晰地展示了基于ASSR设计的双频带现象，有助于验证电路模型和推荐的双频带带通滤波器设计方法。比较表1和表2中的值可以清楚地看到，增加L1值会使两个通带的频率向下移动，并在很大程度上影响到所有元件（案例1和2）。另一方面，增加W5只会降低第二个通带的中心频率，并且对L2有很大影响。显然，给出的比较结果再次验证了从电路模型得出的指导方针。总之，只需L1和W5两个几何参数（图1），就足以高效地控制这种滤波器设计的双频带操作过程。