基于紧凑微带结构的双频带通滤波器设计

赵虎辰

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

伴随着通信系统的快速发展，很多系统都涉及到双频带通滤波器的选用，因其具备2个传输通带滤除射频系统中不需要的频谱能量，到目前为止，多种设计方法被采纳用于双频带通滤波器的研究与设计。这些设计方法大体可分为3类：第1类采用2个独立电路并联的形式产生双频带特征[1-3]，虽然设计方法相对简单，但难以调控滤波器的物理尺寸；第2类利用阶梯阻抗谐振器设计双频滤波器[4-6]，然而基于该方法设计出的谐振频率之间是相关联的；第3类采用独立的双模谐振器来获得双频带特性。目前比较熟知的双模谐振结构主要包括缺陷微带结构[7]、希尔伯特分形结构[8]、螺旋环[9]、E形结构[10]和方环[11]等，这些条带状的谐振器通常呈现出较高的导体损耗和较低的功率容量。此外，基于贴片状谐振单元结构的滤波器设计[12-13]报道较多，如圆形或方形微带结构，但基于三角形微带结构的报道较少。值得关注的是，贴片谐振器具有较低的插入损耗和较高的功率容量等优点。

本文介绍了一款新型双频带通滤波器设计，它采用等边三角形贴片谐振结构、金属化过孔与背面金属地相连接、容性输入/输出耦合等技术。最终所提出的滤波器呈现出2个独立的传输通带，且具有通带内插入损耗低，通带之间具有存在良好的隔离度。

1 双频带通滤波器结构与设计

为了同时满足2.4 GHz 802.11b/g/n和5.8 GHz 802.11a双波段无线局域网(WLAN)接入性能的需求，设计的双频带通滤波器结构如图1所示。该滤波器设计包含等边三角形贴片、金属化过孔、缺陷地和微带枝节匹配线等结构。

图1 双频带通滤波器设计示意图

该滤波器设计选用1 mm厚的Rogers高频基板，介质基板相对介电常数为2.55。通过使用基于有限元的Ansoft HFSS完成滤波器的仿真与优化。最终得到此双频带通滤波器的设计指标如下：L=67.4 mm，L1=19.4 mm，L2=14.0 mm，L3=10.1 mm，L4=6.7 mm，L5=1.1 mm，L6=5.6 mm，W=33.7 mm，W1=5.6 mm，W2=3.4 mm，W3=1.1 mm，W4=3.1 mm，W5=0.2 mm，W6=6.7 mm，d=0.5 mm，R=4.5 mm。

该滤波单元设计方案是以三角形拓扑结构为基础，通过采用加载金属过孔的方法，在原有谐振结构上激励出额外的谐振峰。该方案在保证不增加原有设计结构尺寸的前提下，实现了单一结构的多模谐振[14-15]。此外，采用地平面加载DGS、输入及输出端加载匹配枝节线等技术手段，进一步对整体滤波性能进行优化与提升[16-17]。

2 基本谐振结构性能分析

在不添加任何附加结构的前提下，等边三角形微带贴片可以看作是一个谐振结构。引入金属化过孔将等边三角形微带贴片与地平面相连通，并且过孔放置于等边三角形微带贴片的中轴线位置，如图1所示。然后，分别对加载金属化过孔前后的等边三角形贴片结构进行电磁谐振特性仿真，对应结果如图2所示。

图2 加载过孔的谐振特性对比

通过对加载金属化过孔前后的等边三角形贴片结构的谐振特性进行对比分析，可以看出没有金属化过孔的等边三角形微带贴片谐振器只有一个谐振峰，其频率大概为6 GHz。随着金属化过孔的引入，等边三角形微带贴片谐振器呈现出2个谐振峰，一个位于6.2 GHz频率处，另一个则位于2.6 GHz频率处，这表明金属化过孔的引入致使等边三角形微带贴片谐振器激励出第二谐振峰。

3 双频带通滤波器优化与实现

3.1 双频带通滤波器优化

利用上述新型谐振单元结构，完成双频带通滤波器的设计与优化。通常单元结构谐振频率响应与谐振器的拓扑结构尺寸相关联，为了满足2.4，5.8 GHz的WLAN，相应地设计出一款新型双频带通滤波器。此外，引入相关技术用以优化滤波器性能，如DGS和开路短枝节匹配线。

加载DGS的传输特性对比如图3所示，在不改变整体尺寸的前提下，由于DGS的引入，滤波器的传输特性S21存在以下变化：传输特性整体有向低频区移动的趋势，且高频端传输通带展宽。在使用DGS的前提下，引入开路短枝节线技术使输入与输出之间实现匹配。该双频带通滤波器在添加开路短枝节线前后的性能比对结果如图4所示。

图3 加载DGS的传输特性对比

图4 加载匹配线的传输特性比较

综上可得，所设计的滤波器在采用DGS和开路短枝节线技术之后，具备良好的频率截止响应、较宽的通带带宽、较低的插入损耗以及较强的阻带衰减等特性。

3.2 双频带通滤波器实现

使用矢量网络分析仪对滤波器原型进行测量，如图5所示，其仿真与实测结果如图6所示。在每个通带的两侧都存在传输零点，这有助于频率选择性的提升，对应的最大过渡带衰减可达109 dB/GHz，阻带内的衰减接近于60 dB。低频端通带内的传输损耗约为0.13 dB，高频端通带内的传输损耗约为1.6 dB。该双频带通滤波器的设计工作频率分别为2.4，5.8 GHz，对应的3 dB带宽分别为230，920 MHz，故该滤波器适用于工作在2.4，5.8 GHz的WLAN等环境。

图5 双频带通滤波器实物

图6 滤波器特性的仿真与实测比对

4 结束语

本文设计了一款新颖的双频带通滤波器，它采用等边三角形贴片谐振器结构，利用金属化过孔与地平面相连、以及输入/输出容性耦合，并进一步通过引入DGS和微带枝节线，有助于双频带通滤波频率选择性能的改善。经分析表明，该微带滤波器设计具有陡峭的过渡带、通带范围内插入损耗低、阻带范围内具有较强的衰减，且实际测量结果与电磁仿真相一致，满足了2.4，5.8 GHz双波段WLAN接入点等工程应用的需要。