現代通信系統經(jīng)常用雙頻帶帶通濾波器來(lái)隔離同一網(wǎng)絡(luò )中的不同工作頻帶。這種濾波器的傳統設計尺寸都比較大，而且需要對兩個(gè)濾波器應用額外的組合網(wǎng)絡(luò )。但本文將要詳細討論的雙頻帶帶通濾波器設計方法可以做得非常小。它的結構相對比較簡(jiǎn)單，由兩個(gè)不對稱(chēng)分離式螺旋諧振器(ASSR)與一條微帶線(xiàn)級聯(lián)而成。由于A(yíng)SSR固有的螺旋幾何特性，ASSR可以完全嵌入在微帶線(xiàn)中，因此最終設計的尺寸可以得到最大限度的縮小。本文還對這種創(chuàng )新設計作了進(jìn)一步分析，并通過(guò)一對原型來(lái)驗證這種設計方法。兩個(gè)雙頻帶濾波器分別工作在1.16GHz和1.84GHz之間以及1.80GHz和2.45GHz之間。
業(yè)界對雙頻帶帶通濾波器的微型化設計付出了諸多努力。例如，交叉耦合型濾波器就是一種相對高效的解決方案。在這種設計方法中，一個(gè)帶雙諧振頻率響應特性的等長(cháng)開(kāi)口環(huán)諧振器被用作該濾波器的設計基礎。在一個(gè)實(shí)例中，交叉耦合型雙頻帶帶通濾波器是使用4個(gè)諧振器合成的，為了獲得合適的耦合系數，必須仔細調校這些諧振器的相對位置。遺憾的是，使用4個(gè)諧振器會(huì )導致插損性能降低，并且很難實(shí)現緊湊的尺寸(特別是橫截面尺寸)。
另外一種方法是將一個(gè)開(kāi)環(huán)諧振器和一根并聯(lián)開(kāi)路短截線(xiàn)用作緊湊型雙頻帶帶通濾波器的設計基礎。這里設計和制造的是三個(gè)優(yōu)化了帶外抑制性能的雙頻帶濾波器。在這些原型中，第二個(gè)通帶可以通過(guò)調整特定并聯(lián)開(kāi)路短截線(xiàn)的位置和長(cháng)度進(jìn)行控制。另外還有一種基于彎曲階梯阻抗諧振器(SIR)的微型平面雙頻帶帶通濾波器。這種濾波器的雙頻帶響應取決于SIR的主要幾何參數，而緊湊尺寸是通過(guò)整合U型SIR和最新耦合機制實(shí)現的。有種微型雙頻帶帶通濾波器也是使用短的和開(kāi)路的四分之一波長(cháng)SIR的組合式耦合結構實(shí)現的?？傊?，這些不同的雙頻帶濾波器設計方法都依賴(lài)于一個(gè)具有雙諧振模式的基本單元。
本文提供了創(chuàng )建緊湊、雙頻帶帶通濾波器的不同設計方法。在這種新方法中，濾波器由兩個(gè)通過(guò)微帶線(xiàn)連接起來(lái)的級聯(lián)式ASSR組成。這些ASSR是單平面雙螺旋諧振單元和對稱(chēng)分離型螺旋諧振器的改進(jìn)版本。由于其特殊的幾何特性，這種ASSR可以完全嵌入微帶饋線(xiàn)，進(jìn)而直接形成具有緊湊橫截面尺寸的相應元件。一般來(lái)說(shuō)，ASSR是一種通過(guò)電磁(EM)耦合方式工作的帶通單元。在當前設計中，第一個(gè)通帶取決于A(yíng)SSR的固有通帶，而第二個(gè)通帶是由ASSR組成的等阻抗網(wǎng)絡(luò )和相連微帶線(xiàn)組合創(chuàng )建的。這樣，第二個(gè)通帶就可以獨立于第一個(gè)通帶進(jìn)行調整，方法是將相連的微帶線(xiàn)長(cháng)度作為可變參數。這個(gè)結論也將通過(guò)電路模型分析得到驗證。
在這種分析的基礎上，我們設計和制造了兩個(gè)不同的雙頻帶帶通濾波器來(lái)展示分析的有效性。根據我們所掌握的知識，由于具有特別緊湊的橫截面尺寸，這些雙頻帶帶通濾波器是至今為止所有文獻中報告的最窄的濾波器。
圖1 顯示了這種雙頻帶帶通濾波器中使用的ASSR版圖(a)以及推薦濾波器(b)。每個(gè)ASSR由兩個(gè)分開(kāi)的、互相不對稱(chēng)的矩形螺旋圖形組成。由于矩形螺旋的旋轉幾何特性，給定單元可以完全嵌入微帶線(xiàn)內，從而實(shí)現特別緊湊的橫截面尺寸。這樣，ASSR寬帶W1保持為4.6mm不變，相當于在Rogers公司的RT/duroid 5880印刷電路板(PCB)基板上制造的50Ω微帶線(xiàn)的寬度，這種基板的相對介電常數是2.2，厚度為1.5mm。這些材料數值還被用于仿真。由于電路制造公差(在W1=4.6mm時(shí)約為0.1mm)帶來(lái)的限制，用于尺寸W3和W4的值是受限的。對這些雙頻帶帶通濾波器設計來(lái)說(shuō)，這里使用的是W3=0.6mm和W4=0.3mm時(shí)的值。在一個(gè)耦合型微帶線(xiàn)濾波器的常用模型中，這些值將通過(guò)電磁耦合支持有效帶通屬性。該預測將通過(guò)L1(帶通濾波器的主要調整參數)的參量分析方法得到驗證，結果如圖2所示。
圖1：版圖顯示了ASSR(a)和推薦的雙頻帶帶通濾波器(b)， 這種濾波器采用了一對ASSR以及與之相連的微帶傳輸線(xiàn)。
圖2：仿真結果展示了作為L(cháng)1函數的S21隨L1而發(fā)生的變化。 在本例中，W3=0.6mm，W4=0.3mm，W2=0.1mm。
如圖2所示，ASSR所形成的通帶頻率會(huì )隨著(zhù)L1的增加而向下移動(dòng)。同時(shí)，隨著(zhù)L1的增加，通帶的頻率選擇性會(huì )有所增強。因此，通過(guò)調整L1可以實(shí)現所需的通帶。設計雙頻帶帶通濾波器所需的ASSR和相關(guān)微波組件是一個(gè)很好的開(kāi)始。
[page]
本文推薦的雙頻帶帶通濾波器可以通過(guò)級聯(lián)兩個(gè)ASSR和長(cháng)度用W5表示的微帶線(xiàn)來(lái)合成(圖1)。為清楚地表明這些ASSR的特定工作原理，圖3提供了相應的等效電路模型。相連的微帶線(xiàn)用電感L2表示，ASSR用電容C1和電感L1及互感Lm表示。從模型可以看出，一個(gè)通帶主要由ASSR決定，另一個(gè)通帶取決于電感L2和ASSR等效阻抗網(wǎng)絡(luò )的組合作用。
從這個(gè)電路模型可以很明顯看出，雙通帶中有一個(gè)通帶主要取決于A(yíng)SSR的固有通帶，另一個(gè)通帶則由相連的微帶線(xiàn)和ASSR等效阻抗網(wǎng)絡(luò )的組合產(chǎn)生。顯然，通帶2可以通過(guò)L2獨立進(jìn)行調整。另外，ASSR的幾何參數可以同時(shí)影響兩個(gè)通帶。為示范這種模型的有效性，我們使用曲線(xiàn)擬合方法實(shí)現了以三個(gè)不同原型為目標的抽取過(guò)程。圖3對全波仿真結果和電路仿真結果進(jìn)行了比較。
圖3：基于A(yíng)SSR的雙頻帶帶通濾波器的等效電路模型。
在感興趣的特定頻率范圍內，全波電磁仿真結果與電路級仿真結果在全部三種情況下都非常接近。兩種仿真器都非常清晰地展示了基于A(yíng)SSR設計的雙頻帶現象，有助于驗證電路模型和推薦的雙頻帶帶通濾波器設計方法。增加L1值會(huì )使兩個(gè)通帶的頻率向下移動(dòng)，并在很大程度上影響到所有元件(案例1和2)。另一方面，增加W5只會(huì )降低第二個(gè)通帶的中心頻率，并且對L2有很大影響。顯然，給出的比較結果再次驗證了從電路模型得出的指導方針?？傊?，只需L1和W5兩個(gè)幾何參數(圖1)，就足以高效地控制這種濾波器設計的雙頻帶操作過(guò)程。
根據上述分析可以知道，緊湊型雙頻帶帶通濾波器可以使用ASSR結合微帶傳輸線(xiàn)進(jìn)行設計。優(yōu)化過(guò)程只需調整兩個(gè)主要的幾何參數：L1和W5，因此在這些濾波器的調整和優(yōu)化方面具有很大的靈活性。為了用實(shí)際硬件演示軟件分析的有效性，對表1中的案例1描述的原型進(jìn)行了制造和測量。方便起見(jiàn)把它叫做原型A。另外，稱(chēng)為原型B的第二個(gè)雙頻帶帶通濾波器也進(jìn)行了制造和表征，以進(jìn)一步驗證這種設計方法。第二個(gè)濾波器設計工作通帶處于從1710MHz至1880MHz的DCS1800頻段以及從2400MHz至2483MHz的工業(yè)-科學(xué)-醫療(ISM)頻段內。
圖4：圖中比較了三種原型雙頻帶帶通濾波器案例下的全波和電路仿真結果， 其中“fw”代表全波仿真，“cm”指電路模型仿真。
[page]
兩種濾波器的調諧過(guò)程都非常高效，并且兩種原型都達到了目標通帶與性能水平。圖5顯示了兩種原型濾波器的照片，其中以毫米刻度的直尺作為濾波器大小的參考。兩種原型濾波器分別用安立(Anritsu)公司的ME7808A微波矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行了表征，這款分析儀的模塊工作頻率可達110GHz。對原型濾波器的仿真和測量結果分別見(jiàn)圖5和圖6。
圖5：該照片顯示了所制造的原型濾波器A和B。
圖6：圖中顯示了濾波器原型A的仿真結果和測量結果。在本例中，L1=11.5mm，W5=0.3mm。
如圖6和圖7所示，在感興趣的特定頻段內，仿真和測量結果具有很好的一致性。結果中微小的差別源自制造誤差和/或電路元件達到要求值時(shí)的容差。與較低通帶相比，較高通帶的帶寬相對較窄，并且具有小得多的分數帶寬。對原型A來(lái)說(shuō)，頻帶比約為1.58，雙通帶的3dB分數頻率帶寬約為3%和0.5%。雙通帶間的頻帶抑制值約為36dB。對原型B來(lái)說(shuō)，測量結果表明雙通帶的中心頻率約為1.81GHz和2.44GHz，頻帶比約為1.34。對應的3dB分數頻率帶寬為12.7%和0.8%。原型B的雙通帶間頻帶抑制值約為17dB，這是兩個(gè)通帶之間的一個(gè)可接受的隔離值。這些結果顯示了這種創(chuàng )新設計方法以緊湊尺寸創(chuàng )建雙頻帶帶通濾波器的高效性，而且只需調整兩個(gè)主要的幾何參數就能完成調整。
總之，ASSR和標準微帶電路的這種使用方法允許制造出相當緊湊的、工作在微波頻率的雙頻帶帶通濾波器，并且具有良好的通帶響應性能，通帶間也具有足夠的隔離度。為這些濾波器開(kāi)發(fā)的等效電路模型非常精確，仿真結果與所制造的原型濾波器的測量結果也非常接近。計算機仿真性能和對所制造濾波器的測量性能之間的任何偏差，都歸因于工藝變化以及達到計算機仿真中采用的高精度電路單元值的難度。盡管如此，隨著(zhù)許多相互靠得很近的頻段必須共存的無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中應用數量的不斷增加，這種創(chuàng )新設計方法在創(chuàng )建要求雙通帶的微型化分立與集成電路(IC)濾波器方面表現出了極好的前景。
相關(guān)閱讀：
射頻牛人教你前端濾波器的制作【附電路圖】
http://www.zzmyjiv.cn/rf-art/80021189
兩大案例教你如何選好濾波器
http://www.zzmyjiv.cn/rf-art/80021246
降低EMI/RFI利器：雙絞線(xiàn)+低通濾波器
http://www.zzmyjiv.cn/emc-art/80021521
