一種可以減小尺寸的帶通濾波器

　　1 引言

　　在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，帶通濾波器(BPF)是一種重要的微波器件。目前，許多學(xué)者針對(duì)BPF性能的改進(jìn)已做了大量廣泛而深入的研究，比如小型化，輕質(zhì)量，低損耗以及較高的品質(zhì)因數(shù)Q等。

　　為了實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的小型化，已提出了各種濾波器結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)體支持共面波導(dǎo)(CBCPW), 慢波結(jié)構(gòu)，四分之一波長(zhǎng)短諧振器，階躍阻抗諧振器(SIR)的使用，以及由周期性加載不平衡階梯阻抗微帶線設(shè)計(jì)成的發(fā)夾線諧振器。

　　本文的目的是介紹一種新的基于共面波導(dǎo)(CPW)饋電的SIR帶通濾波器，可以達(dá)到減小濾波器尺寸的目的。SIR，是由兩條具有不同阻抗特性的傳輸線構(gòu)成的，與單位阻抗諧振器(UIR)相比，SIR具有較好的雜散特性。在本文所設(shè)計(jì)的濾波器中，用一個(gè)方形環(huán)作為諧振器，并且將方形環(huán)和CPW分別置于介質(zhì)層的不同面。濾波器中的SIR結(jié)構(gòu)是由方形環(huán)上的一些開(kāi)槽組成的，這使得濾波器實(shí)現(xiàn)了尺寸減小的目的。濾波器的設(shè)計(jì)將在文章的第二部分中詳細(xì)的介紹。在第三部分，通過(guò)與一般帶通濾波器的性能進(jìn)行分析和比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的SIR帶通濾波器的小型化特性。

　　2 基于CPW饋電的SIR帶通濾波器的設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的基于CPW饋電的SIR帶通濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。CPW置于介質(zhì)層的地板面，而方形環(huán)則在介質(zhì)層的另一面。其中，介質(zhì)層的介電常數(shù)為er=6.03，厚度為h=0.8128mm。方形環(huán)外的外環(huán)長(zhǎng)度為L(zhǎng)=22MM，圓環(huán)的寬度為W=2mm。在CPW的終端，將CPW設(shè)計(jì)為一個(gè)T型結(jié)，并且將兩個(gè)CPW沿方形環(huán)的對(duì)角線對(duì)稱的放置。為了使CPW的特性阻抗為50Ω，CPW尺寸的選擇也是極為重要的。在本文中，CPW的尺寸為L(zhǎng)f=16mm，Wf=1.4mm。此外，CPW的中心導(dǎo)體部分的寬度為Wc=1.4mm，而其與地之間的縫隙寬度為Wg=0.2mm。在SIR結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，方形圓環(huán)上開(kāi)槽的長(zhǎng)度為L(zhǎng)c=1.5mm，Lg=0.5mm。

　　圖1 CPW饋電的SIR 帶通濾波器的結(jié)構(gòu)圖

　　圖2 SIR帶通濾波器的仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果

　　圖3 SIR帶通濾波器的實(shí)物圖

　　本文使用Ansoft 商業(yè)軟件和Aglient 8753ES網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)濾波器分別進(jìn)行建模、仿真以及參數(shù)的實(shí)際測(cè)量。參數(shù)的仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果如圖2所示。從仿真結(jié)果中可以看出，濾波器通帶的工作頻率包括了以1.39GHz為中心的0.5GHz-2.5GHz頻率范圍。此外，在濾波器的通帶外有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，其所在頻率分別為1.11GHz和1.55GHz。在兩個(gè)零點(diǎn)處，濾波器的帶外抑制電平分別為45dB 和31dB。在測(cè)量中，將兩個(gè)SMA接口分別與CPW相連接，從而對(duì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量。從圖2中可以看出，在測(cè)量結(jié)果中，濾波器通帶的插入損耗頻率范圍為1.29GHz-1.44GHz，相對(duì)帶寬為10.8%。其中，包括SMA接口所引起的插入損耗在內(nèi)，濾波器的最小插入損耗為1.23dB。此外，圖2中的仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果顯示了良好的一致性。圖3所示為本文設(shè)計(jì)的SIR濾波器的實(shí)物圖，介質(zhì)層的地面為CPW，并分別與兩個(gè)SMA接口連接，而方形環(huán)則置于介質(zhì)層的另一面。

　　3 與一般帶通濾波器性能的比較

　　為了更好的驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的SIR帶通濾波器具有減小濾波器尺寸的特性，在這一節(jié)中，將與一般的帶通濾波器的性能進(jìn)行比較和分析。一般帶通濾波器的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，其幾何尺寸與本文所設(shè)計(jì)的濾波器的尺寸一致。帶通濾波器使用一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)s=3mm的方形微帶線作為微擾，并將其置于方形環(huán)內(nèi)環(huán)的一角。分別使用Ansoft 商業(yè)軟件和Aglient 8753ES 網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)濾波器進(jìn)行仿真和測(cè)量，從而得到其性能參數(shù)的仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果。

　　如圖5所示，對(duì)于一般的帶通濾波器，在仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果中，其通帶的工作頻率分別為以1.8GHz為中心和以1.78GHz為中心的0.5GHz-2.5GHz的頻率范圍。因此，仿真和測(cè)量的相對(duì)帶寬分別為6.67% 和 6.74%。此外，仿真以及測(cè)量結(jié)果的帶外抑制電平都低于50dB。由于在測(cè)量中同樣將兩個(gè)SMA接口與CPW連接，因此，包括SMA所帶來(lái)的插入損耗在內(nèi)，濾波器的最小插入損耗為1.01dB。圖6為本文提及的一般帶通濾波器的實(shí)物圖。

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　　圖4 一般帶通濾波器的結(jié)構(gòu)圖

　　圖5 一般帶通濾波器的仿真和測(cè)量結(jié)果

　　圖6 一般帶通濾波器的實(shí)物圖

　　本文所設(shè)計(jì)的SIR帶通濾波器和一般帶通濾波器的參數(shù)分析和比較結(jié)果如圖7所示，從測(cè)量結(jié)果可以看出，SIR帶通濾波器通帶工作的中心頻率為1.36GHz，而一般帶通濾波器則為1.78GHz ，前者的中心頻率比后者低23.4%。因此，本文所設(shè)計(jì)的濾波器相對(duì)一般濾波器而言，可以實(shí)現(xiàn)濾波器尺寸減小的目的，尺寸減小量可達(dá)到23.4%，而面積縮小將達(dá)到41.3%。

　　圖7 SIR帶通濾波器和一般帶通濾波器的比較

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種新的基于CPW饋電的方環(huán)形SIR 帶通濾波器，對(duì)測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，二者具有較好的一致性。與之前類似的帶通濾波器相比，本文提出的新設(shè)計(jì)可使尺寸減小了大約23.4%。