文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.171827
中文引用格式： 吳燕，鄧開樂，王代強. 方形環貼片雙模微帶帶通濾波器的設計[J].電子技術應用，2017，43(12)：96-99.
英文引用格式： Wu Yan，Deng Kaile，Wang Daiqiang. Square loop patch dual-mode microstrip bandpass filter[J].Application of Electronic Technique，2017，43(12)：96-99.
0 引言
微帶帶通濾波器普遍應用于衛星通信、醫療和無線通信系統。隨著現代科技的迅速發展，對各類系統中的射頻收發前端濾波器性能提出了更高的要求，微帶濾波器的小型化和高性能問題成為研究的熱點和難點。雙模諧振器用于微帶濾波器設計時有其獨特的優點，雙模諧振器具有一對簡并模式，通過在諧振器中加入微擾的方式使得兩個簡并模分離，從而等效為兩個調諧電路[1]，即雙模諧振器可以使得濾波器的固有階數減少一半，故使得濾波器結構簡單，減小了濾波器的尺寸[2]，讓濾波器結構更加緊湊。
微帶貼片諧振器因為易于設計、加工、造價低、可大量生產等優點，而被廣泛應用于濾波器和天線的設計中。在1972年Wolff首先用圓環貼片設計了微帶雙模濾波器，經過長期的研究和發展，現已有的貼片濾波器結構有三角形、方環形、方形等。陳新偉等[3]通過在半圓環形諧振器加入T型微擾的方法，使得通帶內插入損耗小于0.32 dB，帶外衰減大于20 dB；AVINASH K G等[4]通過加載四分之一波長開路短截線和加方形貼片的方式，提高了通帶在高頻和低頻兩側的選擇性；Zhu Lei[5]等通過在方形貼片上開T型十字槽，減小了濾波器的尺寸和回波損耗。
黃曉東等[6]采用加載分布式電容的雙模環形諧振器，在實現較大耦合量的同時，保持了諧振器的小型化。孫守家等[7]通過加載一對開路枝節，來影響通帶的中心頻率，并且利用源和負載耦合的方法來增強源和負載的耦合強度，從而引入新的傳輸零點。
本文是從方環形貼片結構入手，采用階梯型阻抗方形環諧振器構成的雙模微帶濾波器，因為方形環諧振器本身不僅容易實現級聯耦合，而且容易降低輻射損耗。在方形環諧振器上引入一個方形切角作為微擾，采用輸入/輸出與諧振器直接饋電的方式，并對其優化，優化后的濾波器中心頻率為2.2 GHz，最大回波損耗優于47.5 dB，3 dB相對帶寬為18.2%。且濾波器在通帶兩側均有衰減極點，使得阻帶抑制性能提高。
1 方形雙模濾波器的分析
圖1為方形貼片諧振器的結構圖，根據Wheeler的腔體模型[8]對貼片諧振器的理論研究，貼片諧振器上下底面可以等效為理想電壁，其余面可等效為理想磁壁，則正方形貼片諧振器中的場分布如式(1)所示：
2 濾波器的設計
2.1 濾波器的結構分析
本設計的方環形貼片濾波器結構如圖2所示，濾波器由階梯型阻抗方環形諧振器和方形切角微擾組成。階梯型阻抗的加入使諧振器內部的電流流經長度變長，因為電流的環路周長與諧振器的工作波長成正比，所以使得諧振器的諧振頻率降低[9]，減小了濾波器的尺寸。右上方的方形切角作為微擾使得方環諧振器的正交簡并模分離。通常把諧振頻率相同但場分布不同的模式稱為簡并模。饋線采用直接耦合的方式，而不是縫隙耦合的方式，在實現強耦合的同時，減小了輻射損耗，提高了制作精度[10]。由圖2可看出，本文提出的帶通濾波器結構簡單，易于制作加工。
2.2 濾波器的性能
采用上文結構的微帶雙模濾波器，具體設計指標為：中心頻率f0=2.2 GHz；通帶為2.0 GHz～2.4 GHz(FBW=18.2%)；帶內插損小于0.47 dB；邊帶抑制：對低端阻帶1.68～1.72 GHz處的抑制達到35 dB以上，對高端阻帶2.55～2.66 GHz處的抑制達到25 dB以上；體積大小為25 mm×25 mm×0.81 mm。
使用高頻電磁場仿真軟件HFSS進行仿真，本文采用的介質板材料為Rogers RO4003，其相對介電常數為3.55，介質基板的厚度h=0.81 mm，金屬層的厚度為0.017 mm，50 Ω微帶饋線的線寬為1.78 mm。本文所設計的濾波器中心頻率為2.2 GHz，由此設置濾波器結構原始參數a=25 mm，b=3 mm，c=8 mm，d=5 mm，e=3 mm。在固定諧振器其他尺寸的情況下，分析改變環形寬度b對濾波器頻率響應特性的影響，將環形寬度分別設為2 mm、3 mm和4 mm，對濾波器進行全波仿真分析后的得到的頻率響應曲線如圖3所示。
從圖3可以看出，濾波器通帶兩側均有衰減極點，隨著環形寬度的增大，通帶內回波損耗減小，兩側衰減極點均向右移動，促使中心頻率向高頻移動，并且衰減極點也有所降低，使濾波器的選擇性能提高。
為了確定方形切角尺寸g對濾波器頻率響應特性的影響，將方形切角的邊長分別設置為1 mm、1.5 mm和2 mm，對濾波器進行全波分析后得到的頻率響應曲線為圖4所示。
從圖4可以發現，方形切角尺寸對通帶內回波損耗S11和通帶左側的衰減極點均有影響，隨著g的的減小，左側衰減極點明顯降低。所以在實際設計濾波器時應選擇合適的切角尺寸。
為了確定大小階梯型阻抗中高阻抗長度對濾波器頻率響應特性的影響。分別在大小階梯阻抗中設置不同的高阻抗長度，對濾波器進行全波分析后可得雙模濾波器的頻率響應曲線如圖5和圖6所示。
從圖5、圖6中可以看出，大小階梯阻抗中的高阻抗長度對通帶兩側的衰減極點和回波損耗均有較大影響，隨著高阻抗長度的增加，衰減極點明顯減小，提高了阻帶抑制能力；大階梯阻抗中，隨著高阻抗長度的增加，回波損耗減小，超過某個值時，又增大，所以在實際設計濾波器時，應選取合適的高阻抗長度。
由上述分析可知，在濾波器的設計中可以通過調整環形寬度來調節濾波器的頻率和帶寬，然后通過調整方形切角尺寸和階梯阻抗中高阻抗的長度來調節通帶兩側傳輸零點的位置與大小，進而優化濾波器的回波損耗、插入損耗特性。
3 濾波器測試
根據上述分析與設計，通過調整和優化，得到對應于圖2所示雙模濾波器的最終優化參數如表1所示。
本文中的濾波器加工制作后得到的實物圖如圖7所示。通過網絡分析儀測試濾波器的S參數，測試仿真結果如圖8，濾波器的3 dB帶寬為400 MHz（相對帶寬約為18.2%），兩個極點分別位于1.7 GHz和2.6 GHz，測量結果與仿真結果基本吻合。
最后在表2中列出了幾類微帶雙模濾波器結構的相關參數，并與本文所設計的結構進行了對比。從表2中可以直觀地看出，本文提出的雙模微帶濾波器在結構上比文獻[7]更加簡單，更易于加工；在性能上比文獻[3]更為優良。
4 結論
本文提出了一種新的方環形貼片濾波器結構，通過在諧振器上引入方形切角來激勵簡并模，使得濾波器具有良好的帶內特性；在諧振器上加載階梯型阻抗，可以實現濾波器在通帶兩側各具有一個傳輸零點；采用正交直接饋電方式，減小輻射損耗，提高了制作精度，提升了濾波器的實用價值，進一步優化了濾波器的性能，可被應用于S波段衛星通信收發系統中。
參考文獻
[1] HONG J S，LANCASTER M.Microstrip triangular patch resonator filters[C].IEEE MTT-S Int Microwave Symposium Digest，2000：331-334.
[2] WOLLF I.Microstrip bandpass filter using degenerate modes of a microstrip ring resonator[J].Electronics Letters，1972，8(12)：302-303.
[3] 陳新偉，段美玲，雷致萍.半圓形雙模帶通濾波器的設計[J].測試技術學報，2014，28(3)：199-202.
[4] AVINASH K G，RAO I S.Design of microstrip meandered dual mode wideband bandpass filter using quarter wave-length stubs[C].IEEE International Conference on Advances in Computing and Communications，2015：307-310.
[5] Zhu Lei.Miniaturized dual-mode bandpass filter using inductively laoded cross-slotted patch resonator[J].IEEE microwave and wireless component letters，2005，15(1)：21-24.
[6] 黃曉東，程崇虎.直接饋電的小型化微帶雙模帶通濾波器[J].微波學報，2010，26(3)：52-55.
[7] 孫守家，吳邊，梁昌洪.新型雙模方環微帶帶通濾波器[J].西安電子科技大學學報，2014，41(1)：53-56.
[8] MILLER A，HONG J S.Wide band bandpass filter with reconfigurable band width[J].IEEE Microwave Wireless Component letters，2010，20(1)：28-30.
[9] Zhu Lei，PIERRE M，Wu Ke.New planar dual-mode filter using cross-slotted patch resonator for simultaneous size and loss reduction[J].IEEE Transaction on Microwave Theory Techniques，1999，47(5)：650-654.
[10] HEIEH L H，CHANG K.Compact low insertion loss sharp rejection wideband bandpass filters using dual-mode ring resonators with tuning stubs[J].Electronics Letters，2001，37(22)：1345-1346.
作者信息：
吳 燕1，鄧開樂1，王代強2
（1.貴州大學 大數據與信息工程學院，貴州 貴陽550025；2.貴州民族大學，貴州 貴陽550025）