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低损耗双谐振微带带通滤波器设计

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第53卷第8期 2013年8月 电讯技术 Telecommunication Engineering Vo1.53 No.8 Aug.2013 doi:10.3969/j.issn.1001—893x.2013.08.020 低损耗双谐振微带带通滤波器设计 李 勇 ,,邹传云2 (1.成都理工大学工程技术学院,四川乐山614007;2.西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010) 摘要:为了既满足实现双谐振的零度馈电结构,又能实现阻抗匹配,采用双点双线馈电技术和具有 开口环、阶跃阻抗谐振双重特性的结构设计双通带滤波器。版图仿真结果表明:两个谐振频率分别 为2.7 GHz和5.05 GHz,符合射频电子标签所需的两路信号,其对应的回波损耗分别为一38 dB和 一49 dB,插入损耗为一0.2 dB和一0.4 dB,从而实现了低损耗特性和尖锐的选择性。 文献标志码:A 文章编号:11301—893X(2013)08—1074—05 关键词:微带带通滤波器;双点双线馈电;阶跃阻抗谐振器;开口环;双通带 中图分类号:TN713 Design of a Low Loss Microstrip Bandpass Filter with Double Resonance LI Yong .Z0U Chuan—vu (1.CoHege of Engineering and Technology,Chengdu University of Technology,Leshan 614007,China; 2.CoHege of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China) Abstract:In order to realize impedance matching and meet the zero feed structure which realizes double reso. nance,double point dual feed technology and double characteristic structure of split ring and SIR are adopted to design a double bandpass filter.The simulation results show that two resonant frequencies are 2.7 GHz and 5.05 GHz.which correspond directly with the two channels signal of radio frequency electronic labe1. n1e cor— responding echo losses ale一38 dB and一49 dB.and the insert losses arc一0.2 dB and一0.4 dB.thereby to realize the low loss characteristics and sharp selectivity. Key words:microstrip ban@ass filter;double point dual feed;step impedance resonator;split irng;double bandpass 计和实现等特点而广泛使用,而且在不减小无载Q 1 引 言 微带带通滤波器是无线通信系统的重要组成部 件,其性能的优劣直接关系到整个通信系统,要求损 耗特性好、通带选择性高l 。实现微带带通滤波器 的方法主要有开口环结构E2 J、平行耦合微带线结 值的前提下,能够有效缩短SIR谐振器的物理长 度 J。文献[4—5]就是基于SIR设计滤波器,无论 是采用直接馈电l J还是间接耦合馈电l J实现双通 带,其馈电点位置均符合零度馈电结构_8 J,双通带的 实现其实是基于此结构;但是零度馈电结构限制了 两个馈电点的位置,而本文通过仿真证明了馈电点 构【 、阶梯阻抗谐振器结构【 J。其中,Step Impedance Resonator(以下简称SIR)阶梯阻抗谐振微 位置的改变对阻抗匹配有益。同时,文献[4—6]也 反映出如果阻抗匹配度不够好,则滤波器的回波损 耗、插入损耗特性和选择性就相对较差;另外,本文 带滤波器设计方法因其电路结构简洁、相对便于设 *收稿日期:2012—11—15;修回日期:2013—02—27 Received date:2012—11—15;Revised date:2013—02—27 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61075030) Foundation Item:The National Naturla Science Foundation of China(No.61075030) * ・通讯作者:261789847@qq.con Corresponding author:261789847@qq.con 1074・ 第53卷 李勇,邹传云:低损耗双谐振微带带通滤波器设计 第8期 通过仿真证明了馈电点位置的改变破坏了零度馈电 结构,则滤波器只能实现一个通带。为了解决这一 矛盾,本文采用双点双线馈电形式,既满足馈电点的 零度馈电结构,又能很好地实现阻抗匹配。 2阶梯阻抗谐振器的原理【5,9J 阶梯阻抗谐振器(SIR)是由两个及以上具有相 异特征阻抗的传输线组合形成的横向电磁场或者准 横向电磁场模式的一种谐振器结构。SIR结构分为 四分之一波长型、半波长型和一倍波长型3种,由于 本文主要是基于半波长型SIR结构进行设计的,所 以只介绍半波长型SIR原理。 图1半波长型SIR基本结构 Fig.1 Basic structure of halfwave type SIR 图1是典型的半波长型SIR阶跃谐振器的基本 结构,它分为开路截面、短路截面,以及它们之间的 阻抗阶跃接合面,整个基本结构是由两个四分之一 波长型结构合并而成。图中z 和z2分别是表征 SIR两段传输线阻抗的电学参数,其对应的电长度 分别是 1和02;阻抗z1和z2的比值(阻抗率)定义 如下: Rz=Z2/Zl (1) 两段传输线对应的导纳分别为】,1和y2,那么由 开路截面看进去的输入导纳 可表示为 Y. , 2( tan0l+tan02)( 一tan01mn02) ,,’、 in J 如果要实现谐振,那么必有输人导纳Yi =0,则由式 (2)可得到谐振条件为 = =tan01tan02 (3) 显然,从式(3)能看出SIR的谐振条件取决于电 长度0 和 2,以及阻抗比率 。以前常用的均匀 阻抗谐振器(UIR)的谐振与否只是取决于唯一的条 件,即传输线的长度,然而对于SIR结构,则需要同 时考虑电长度和阻抗比率。所以UIR比SIR少了一 个设计的自由度。 为了利于设计简单化,可以选取0。=0 = 。 如果采用较小的阻抗比值,可以缩短SIR谐振器的 电长度,但是最大SIR长度不能超过对应UIR长度 的2倍。在上述条件下,SIR阶跃谐振器的谐振条 件和输入导纳可以分别写为 0= =arctan( ) (4) ㈤ 3微带滤波器建模及仿真分析 根据第2节阶梯阻抗谐振器(SIR)的理论分析, 本文选取两段相异阻抗分别为Zl:50 n、Z2=75 Q, 为了计算方便,选取 l= 2,从而由式(3)、(4)算出各 自的电长度0】=02=aretan( ̄/ )=50.8,然后估算出 对应的物理长度和宽度,并在ADS Layout中建模。因 为原理图仿真不会考虑边缘效应、耦合等因素,而 ADS Layout采用矩量法,逼近PCB级电磁特性,所以 其准确性、可靠性远远高于原理图仿真。 初次建模的版图如图2所示:建模的时候为了 有效减小滤波器的物理尺寸,就对SIR结构进行弯 折;为了实现双通带,可以通过不对称的零度馈电结 构引入两个传输零点。 届 图2初次版图结构 Fig.2 Primary layout structure 观察图2,版图的两臂弯折后,不仅是SIR阶梯 阻抗结构,同时具备了开口环特性_2J:两个谐振单元 属于电耦合方式,为了省去繁琐的计算,可以采用电 磁仿真软件辅助提取出耦合系数。利用电磁仿真软 件ADS对双耦合单元结构进行仿真,得到耦合谐振 器的两个谐振峰值频率分别为.厂l和。厂2,则耦合系数 表示为 : 歹 (6) 通过ADS Layout仿真的结果如图3所示,(b)中 回波损耗曲线s11反映出的两个谐振点ml、m2,即 实现双通带。注意图2中两个馈电端口fedl、fed2 分别在距离中心枝节h的上下两端,也就是不对称 ・1075・ www.teleonline.cn 电讯技术 2013年 ^H冒0 o(10. 8 zI王E)ooo._【 的零度馈电结构,信号经过两个通路后的相位延迟 是相同的,相位延迟之差为0。,于是证明了引言中提 及的零度馈电结构实现双频带。但是观察回波损耗 S11,其数值不到一l0 dB,说明阻抗匹配度不好,图 3(a)证明了这一点:归一化阻抗为0.486+i0.633, 相比理想匹配值1误差较大。 (a)史密斯阻抗圆圈 (b)回波损耗曲线 图3初次仿真结果 ^ 0 000.Fig.3 Fi 3 zlrst10o00. simulati_【 on results 如果将图2中加载的开路枝节zhi微带线去掉, 即其尺寸为0时,其仿真结果如图4所示,可以看 出:第二谐振中心频点发生明显改变;说明加载的枝 节影响双频带的高频中心频点位置,加载枝节相当 于引人新的电抗,通过调节枝节物理尺寸,可对偶模 频率即第二谐振带特性进行调节。同时,图4(b)中 m1点回波损耗大于m2点,因为(a)中m4点 (5.731 GHZ)对应回波损耗m2点的归一化阻抗为 1.201+i0.227,相比ml点(2.602 GHZ)的归一化阻 抗1.239一i0.940来说,m2频点的归一化阻抗虚部 更趋近于0,实部更趋近1,这也证明了引言中提及 的说法:阻抗匹配度不够好,则滤波器的回波损耗、 插入损耗特性和选择性就相对较差。 、』r ¨、 兽 ^、‘ i 1 f . 』叶idB (h’7一 一蚰 . t-',t t - l_ ( 忡蚋 _ f/GI'Iz (a)史密斯阻抗圆图 (b)回波损耗曲线 图4枝节为0的结果 Fig.4 Results without side 将图2中馈电点fedl的位置进行移动,那么滤波 器的输入阻抗将会变化,可以发现当它移动到h=0 ・1076・ 处时,阻抗实现较好匹配,其仿真结果如图5所示。 (a)史密斯阻抗圆圈 (b)回波损耗曲线 图5馈电点位置的影响 Fig.5 The iIfluence of feed point position 从图5(a)中可以看出,归一化阻抗为1.014一 i0.016,实部接近理想匹配值1,虚部趋近于0,如此 好的阻抗匹配,则图(b)中的回波损耗达到 一39.615 dB,损耗小,且具有尖锐的选择性,这也说 明馈电点越靠近开口中心,馈线越靠近于虚地,可使 得外部Q值增大。 但是,尽管实现了阻抗匹配和较低的损耗,但是 破坏了零度馈电结构,导致只有一个谐振点 4.99 GHz。由此看出:馈电点位置改变不能同时满 足零度馈电结构和阻抗匹配,因此本文采用双点双 线馈电形式,既满足馈电点的零度馈电结构,又能很 好地实现阻抗匹配,同时要根据谐振频点修改中心 枝节的长度,其优化后的结构如图6所示。 图6优化后的版图 Fig.6 Optimized layout 图6中,w5、h5、h6、h7是双点双线馈电结构尺 寸,整个版图具体尺寸如下:W1=1.4 133133,w2= 0.75 min,w3=6.1 min,w4=3.15 rain,w5=1.6 mln, h1=6.152/lCllTl,h2=2.4 m/n,h3=2.18ⅡⅡn,h4= 1.54 rain,h5=0.33 1TIITI,h6=1.426 mn'l,h7: 1.73 innl,gl=0.57 mill,g2=0.156 nlln。介电常数 为10.2,板厚为1 inin。通过ADS Layout仿真,其s 参数曲线见图7和图8。 第53卷 李勇,邹传云:低损耗双谐振微带带通滤波器设计 第8期 图7回波损耗与插入损耗 Fig.7 Return loss and insertion loss l 200 r ‘ ; ’ \; , — ~ \ Ij \ 1.1‘I_J。 l 2 3 4 5 6 f/GHz 图8相频特性 Fig.8 Phase/frequency characteristics 4仿真结果比较 由图7可以看出:第一通道的中心频率约为 2.7 GHz,一3 dB相对带宽约为5.6%;第二通道的中 心频率约为5.05 GHz,一3 dB相对带宽约为5.7%。 从回波损耗S11参数来看:第1和第2通带中心频 率对应的回波损耗分别为一38 dB和一49 dB左右。 从插入损耗¥21参数来看:第一通带内插入损耗在 0.2 dB左右,第二通带的插入损耗在0.4 dB左右。 而且两个通道的带外杂波抑制特性较好:2.7 GHz通 道带外低频处(1 GHz)的杂波插入损耗将近 一30 dB,5.05 GHz通道带外高频处(6 GHz)的杂波 插入损耗也逼近一3O dB,由式(6)可以算出耦合系 数 为0.56。由图8相频特性曲线可以看出:第一 通带和第二通带的带内相位都是呈线性关系的,证 明群延时特性较好。 文献[4—6]都对微带双频带通滤波器进行了研 究与设计,而且均以阶跃阻抗谐振器为设计基础。 其中文献[6]的结果表明通带带外特性较好,但是它 的通带插入损耗¥21达到5 dB,与本文及文献[4]、 [5]同类参数的差距较大,故只将本文的仿真结果与 文献[4]、[5]的仿真结果进行参数性能比较。如表 1所示,每一项内容的两个数据分别代表第一、第二 通带。 表1仿真结果比较 Table 1 Simulated results comparison 从表1中看出,文献[4]的第二通带带外杂波抑 制和第一通带的相对带宽比本文好,但是选择性变 差,其他参数相对较差;文献[5]的第一通带带外杂波 抑制和两个通带的相对带宽比本文好,其中第二通带 相对带宽如此高的原因是第二通带中心频点的S11 参数高低起伏(峰值在一20 dB左右),拓宽了相对带 宽,但是它也会让第二通带中心频点的¥21曲线平坦 度相对变差,而且选择性变差;其他参数则比本文差。 从与滤波器性能关系最为密切的回波损耗Sll、插入 损耗¥21参数来看,本文的设计优势明显。 5结束语 三维电磁仿真软件的仿真结果表明:采用的双 点双线馈电形式满足了馈电点的零度馈电结构,实 现了双通带,又能很好地匹配阻抗,滤波器有相对较 低的损耗和尖锐的选择性;两个谐振点2.7 GI-Iz和 5.05 GI-Iz满足射频电子标签所需的两路信号。与同 类设计的仿真结果比较,本设计各个参数特性较好, 说明该设计方法对微带滤波器的设计有着较好的借 鉴意义。如果后期的电子标签微带天线和其他电路 设计完成,该微带滤波器与其同时集成到一起进行 实物加工,用矢量网络分析仪对系统实物进行实测, 然后根据结果进行尺寸上的微小调整,则可以应用 到射频电子标签。 参考文献: [1]Miyake H,Kitazawa S,Ishizaki T,et a1.Aminiaturized mono. 1ithic dud band filter using ceramiclamination technique for dual mode portable telephones[C]//Proceedings of 1997 IEEE MTF-S International Microwave Symposium.Denver, Colorado:IEEE,1997:789—792. 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Email:26178984_7@qq.corn 邹传云(196【卜),男,四川德阳人,教授、博士生导师。主 要研究领域为射频识别技术。 Z0U Chuan—yun was bom in Deyang。Sicuan Province。in 1960.He iS now pmfessor and also tlle Ph.D.supervisor.His re— search concerns R兀D technology. Email:zoucy@swust.edu.cn 

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