現(xiàn)代通信系統(tǒng)經(jīng)常用雙頻帶帶通濾波器來隔離同一網(wǎng)絡(luò)中的不同工作頻帶。這種濾波器的傳統(tǒng)設(shè)計尺寸都比較大，而且需要對兩個濾波器應(yīng)用額外的組合網(wǎng)絡(luò)。但本文將要詳細(xì)討論的雙頻帶帶通濾波器設(shè)計方法可以做得非常小。它的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，由兩個不對稱分離式螺旋諧振器(ASSR)與一條微帶線級聯(lián)而成。由于ASSR固有的螺旋幾何特性，ASSR可以完全嵌入在微帶線中，因此最終設(shè)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(shè)計作了進(jìn)一步分析，并通過一對原型來驗證這種設(shè)計方法。兩個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(shè)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(shè)計方法中，一個帶雙諧振頻率響應(yīng)特性的等長開口環(huán)諧振器被用作該濾波器的設(shè)計基礎(chǔ)。在一個實例中，交叉耦合型雙頻帶帶通濾波器是使用4個諧振器合成的，為了獲得合適的耦合系數(shù)，必須仔細(xì)調(diào)校這些諧振器的相對位置。遺憾的是，使用4個諧振器會導(dǎo)致插損性能降低，并且很難實現(xiàn)緊湊的尺寸(特別是橫截面尺寸)。
另外一種方法是將一個開環(huán)諧振器和一根并聯(lián)開路短截線用作緊湊型雙頻帶帶通濾波器的設(shè)計基礎(chǔ)。這里設(shè)計和制造的是三個優(yōu)化了帶外抑制性能的雙頻帶濾波器。在這些原型中，第二個通帶可以通過調(diào)整特定并聯(lián)開路短截線的位置和長度進(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(yīng)取決于SIR的主要幾何參數(shù)，而緊湊尺寸是通過整合U型SIR和最新耦合機(jī)制實現(xiàn)的。有種微型雙頻帶帶通濾波器也是使用短的和開路的四分之一波長SIR的組合式耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的?？傊?，這些不同的雙頻帶濾波器設(shè)計方法都依賴于一個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(shè)計方法。在這種新方法中，濾波器由兩個通過微帶線連接起來的級聯(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，進(jìn)而直接形成具有緊湊橫截面尺寸的相應(yīng)元件。一般來說，ASSR是一種通過電磁(EM)耦合方式工作的帶通單元。在當(dāng)前設(shè)計中，第一個通帶取決于ASSR的固有通帶，而第二個通帶是由ASSR組成的等阻抗網(wǎng)絡(luò)和相連微帶線組合創(chuàng)建的。這樣，第二個通帶就可以獨立于第一個通帶進(jìn)行調(diào)整，方法是將相連的微帶線長度作為可變參數(shù)。這個結(jié)論也將通過電路模型分析得到驗證。
在這種分析的基礎(chǔ)上，我們設(shè)計和制造了兩個不同的雙頻帶帶通濾波器來展示分析的有效性。根據(jù)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(xiàn)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ASSR由兩個分開的、互相不對稱的矩形螺旋圖形組成。由于矩形螺旋的旋轉(zhuǎn)幾何特性，給定單元可以完全嵌入微帶線內(nèi)，從而實現(xiàn)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(dāng)于在Rogers公司的RT/duroid 5880印刷電路板(PCB)基板上制造的50Ω微帶線的寬度，這種基板的相對介電常數(shù)是2.2，厚度為1.5mm。這些材料數(shù)值還被用于仿真。由于電路制造公差(在W1=4.6mm時約為0.1mm)帶來的限制，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(shè)計來說，這里使用的是W3=0.6mm和W4=0.3mm時的值。在一個耦合型微帶線濾波器的常用模型中，這些值將通過電磁耦合支持有效帶通屬性。該預(yù)測將通過L1(帶通濾波器的主要調(diào)整參數(shù))的參量分析方法得到驗證，結(jié)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。
圖2：仿真結(jié)果展示了作為L1函數(shù)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隨著L1的增加而向下移動。同時，隨著L1的增加，通帶的頻率選擇性會有所增強(qiáng)。因此，通過調(diào)整L1可以實現(xiàn)所需的通帶。設(shè)計雙頻帶帶通濾波器所需的ASSR和相關(guān)微波組件是一個很好的開始。
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本文推薦的雙頻帶帶通濾波器可以通過級聯(lián)兩個ASSR和長度用W5表示的微帶線來合成(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(yīng)的等效電路模型。相連的微帶線用電感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，一個通帶主要由ASSR決定，另一個通帶取決于電感L2和ASSR等效阻抗網(wǎng)絡(luò)的組合作用。
從這個電路模型可以很明顯看出，雙通帶中有一個通帶主要取決于ASSR的固有通帶，另一個通帶則由相連的微帶線和ASSR等效阻抗網(wǎng)絡(luò)的組合產(chǎn)生。顯然，通帶2可以通過L2獨立進(jìn)行調(diào)整。另外，ASSR的幾何參數(shù)可以同時影響兩個通帶。為示范這種模型的有效性，我們使用曲線擬合方法實現(xiàn)了以三個不同原型為目標(biāo)的抽取過程。圖3對全波仿真結(jié)果和電路仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。
圖3：基于ASSR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(nèi)，全波電磁仿真結(jié)果與電路級仿真結(jié)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ASSR設(shè)計的雙頻帶現(xiàn)象，有助于驗證電路模型和推薦的雙頻帶帶通濾波器設(shè)計方法。增加L1值會使兩個通帶的頻率向下移動，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只會降低第二個通帶的中心頻率，并且對L2有很大影響。顯然，給出的比較結(jié)果再次驗證了從電路模型得出的指導(dǎo)方針?？傊恍鐻1和W5兩個幾何參數(shù)(圖1)，就足以高效地控制這種濾波器設(shè)計的雙頻帶操作過程。
根據(jù)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(jié)合微帶傳輸線進(jìn)行設(shè)計。優(yōu)化過程只需調(diào)整兩個主要的幾何參數(shù)：L1和W5，因此在這些濾波器的調(diào)整和優(yōu)化方面具有很大的靈活性。為了用實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。方便起見把它叫做原型A。另外，稱為原型B的第二個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(shè)計方法。第二個濾波器設(shè)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(yī)療(ISM)頻段內(nèi)。
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(jié)果， 其中“fw”代表全波仿真，“cm”指電路模型仿真。
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兩種濾波器的調(diào)諧過程都非常高效，并且兩種原型都達(dá)到了目標(biāo)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(dá)110GHz。對原型濾波器的仿真和測量結(jié)果分別見圖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(jié)果和測量結(jié)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(nèi)，仿真和測量結(jié)果具有很好的一致性。結(jié)果中微小的差別源自制造誤差和/或電路元件達(dá)到要求值時的容差。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?jǐn)?shù)帶寬。對原型A來說，頻帶比約為1.58，雙通帶的3dB分?jǐn)?shù)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來說，測量結(jié)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(yīng)的3dB分?jǐn)?shù)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，這是兩個通帶之間的一個可接受的隔離值。這些結(jié)果顯示了這種創(chuàng)新設(shè)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(diào)整兩個主要的幾何參數(shù)就能完成調(diào)整。
總之，ASSR和標(biāo)準(zhǔn)微帶電路的這種使用方法允許制造出相當(dāng)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(yīng)性能，通帶間也具有足夠的隔離度。為這些濾波器開發(fā)的等效電路模型非常精確，仿真結(jié)果與所制造的原型濾波器的測量結(jié)果也非常接近。計算機(jī)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?xì)w因于工藝變化以及達(dá)到計算機(jī)仿真中采用的高精度電路單元值的難度。盡管如此，隨著許多相互靠得很近的頻段必須共存的無線通信領(lǐng)域中應(yīng)用數(shù)量的不斷增加，這種創(chuàng)新設(shè)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(xiàn)出了極好的前景。
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