基于双模谐振器的新型带通滤波器

单伟

摘要 双模滤波器具有体积小、重量轻且通道选择性更好的优点，且微波滤波器具有加工简单成本低的特点，满足现代通信的需求。本文从这两者的角度出发，在新型的中心短路枝节加载的双端短路谐振器的基础上，利用该款新型双模谐振器三个短路点的等价性，将三个短路点结合在一起，并将谐振器加以折叠，实现滤波器的小型化。测试曲线表明该双模滤波器与仿真结果基本吻合。本文设计的滤波器具有尺寸小、结构紧凑等优点，具有很好的实用价值。

【关键词】双模 带通滤波器 谐振器

在无线通信应用中，滤波器是不可或缺的重要核心器件，常常被用来分离和组合不同的频率，起着选择信号的重要作用。滤波器可以主要分为腔体结构和平面结构，平面结构又可以划分为微带结构和共面波导结构。其中，微带双模滤波器由于其双模谐振器等效于两个谐振回路，尺寸与传统单模结构相比减小一半，从而可以减小系统的体积和重量，在无线通信领域越来越受欢迎，正是这些优点使得双模滤波器被广泛研究。早期双模谐振器主要用于腔体结构，尤其是波导结构中，随着平面电路工艺的成熟，微带结构双模滤波器逐渐受到关注。

本文提出了一种新型的双模带通滤波器，该滤波器在新型的中心短路枝节加载的双端短路谐振器的基础上，并考虑到该款新型双模谐振三个短路点是等价的，利用谐振器的结构特点，将三个短路点结合在一起，并将谐振器加以折叠，以实现滤波器的小型化。采用平行耦合微带线（ParallelCoupledMicrostripLine，PCML）作为馈线提供外部耦合并引入了源和负载耦合，产生新的传输零点，更好实现通带选择性。

1 双模滤波器设计

1.1 谐振器耦合结构

本文采用的谐振器结构如图l（a）所示，该谐振器结构是基于短路枝节加载的双端短路谐振器结构如图l（b）所示。

由于短路枝节加载的双端短路谐振器的三个短路点是等价的，将其结将其结合成一个短路点，该短路点由直径为0.6mm的接地过孔实现。三个短路点合成一个短路点。谐振器结构的谐振特性并不会发生变化，这是因为在偶模谐振时，谐振器和短路枝节都参与了谐振，奇模谐振时，短路枝节上的电流为零，并没有参与谐振，并没有因为短路点之间的结合而影响到短路枝节的加载特性。最终再将谐振器加以折叠，以实现滤波器的小型化。谐振器最终优化尺寸如下：W1=7.58mm，W2=2.18mm，W3=1.3mm，W4=0.3mm，W5=1.009mm，W6=0.9mm，L1=6.7mm，L2=1.5mm，L3=4mm，L4=lmm，D=0.6mm。

1.2 外部耦合结构

本文采用输入输出耦合方式是基于平行线耦合结构，并在此基础上进行了凹陷折叠的结构改进，其局部放大如图2（a）所示，整体如图2（b）所示。其关键几何尺寸如下：W7=0.94mm，W8=0.5mm，W9=1.2mm，W10=1.4mm，Wll=1.3mm，W12=1.71mm，W13=9.5101mm，W14=0.2mm，L5=0.8mm，L6=lmm，L7=4mm，L8=3.8mm，L9=2mm，L10=1.1692mm，L11=0.8mm。

平行耦合微带线（PCML）作为馈线提供外部耦合为了能实现较强的外部耦合。通过输入输出平行耦合线末端的相互耦合，引入了源和负载交叉耦合，从而引入传输零点，更好实现通带选择性。同时源和负载耦合的引入，不仅增强了通带的选择特性，而且还改善了带内波纹特性。平行线耦合结构做出与谐振器相一致的凹陷折叠，不仅实现滤波器小型化，而且从直观上可以看出，这种输入输出耦合结构可以提供更大的耦合调节自由度，另外，它还对滤波器的整体性能也有重要影响。

1.3 滤波器整体结构

基于以上考虑，本文采用的双模带通滤波器整体结构如图3所示，滤波器的关键几何结构尺寸详见1.1节图l（a），1.2节图2（a）。

本文选用的介质为Rogers/duroi -d5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。介质基片厚度0.254mm，微带线厚度为0.017mm，单面电路，且接地面覆铜箔，铜箔厚度为0.017mm，小孔为金属化过孔，孔径为0.6mm。

滤波器的弯折布局在使整体结构紧凑的同时，也有利于引出源和负载间的容性交叉耦合，由于该谐振器上通带內奇模和偶模间的差异本质上是由短路通孔的等效电感带来的，因此容性的源和负载交叉耦合在通带两侧引入一对传输零点，用于提高滤波器的频率选择性。

2 仿真与测试结果

图4是按照1.3节基板材料和图3的几何尺寸加工的滤波器样品照片。其主体面积为33mmX33.2mm，该结构具有紧凑，小型化等特点。

该滤波器样品仿真与测量曲线结果对比如图5所示，测量与仿真吻合较好，测试结果表明：滤波器通带中心频率为5.53GHz，其3dB带宽为4.87GHz-6.19GHz，其3dB相对带宽为23.87%，中心频率处的插损为1.533 dB，通带内的回波损耗大于lldB，两个传输零点分别位于3.87GHz，6.87GHz。传输零点的引入有效的提高了通带频率内的选择性。

3 结论

本文提出一种紧凑型新型双模带通滤波器，该元件基于新型中心短路枝节加载的双端短路谐振器，由于该新型双模谐振器三个短路点的等价性，将三个短路点结合在一起，由金属化过孔接地，双模谐振器加以折叠，实现滤波器的紧凑性与小型化。采用平行耦合微带线作为馈线提供外部耦合，并引入了源和负载耦合，产生新的传输零点，更好实现通带选择性。经仿真与测试验证，该滤波器具有较优的电性能，且结构紧凑，占地面积较小。

参考文献

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