【学术论文】方形环贴片双模微带带通滤波器的设计
微带带通滤波器普遍应用于卫星通信、医疗和无线通信系统。随着现代科技的迅速发展，对各类系统中的射频收发前端滤波器性能提出了更高的要求，微带滤波器的小型化和高性能问题成为研究的热点和难点。双模谐振器用于微带滤波器设计时有其独特的优点，双模谐振器具有一对简并模式，通过在谐振器中加入微扰的方式使得两个简并模分离，从而等效为两个调谐电路[1]，即双模谐振器可以使得滤波器的固有阶数减少一半，故使得滤波器结构简单，减小了滤波器的尺寸[2]，让滤波器结构更加紧凑。
微带贴片谐振器因为易于设计、加工、造价低、可大量生产等优点，而被广泛应用于滤波器和天线的设计中。在1972年Wolff首先用圆环贴片设计了微带双模滤波器，经过长期的研究和发展，现已有的贴片滤波器结构有三角形、方环形、方形等。陈新伟等[3]通过在半圆环形谐振器加入T型微扰的方法，使得通带内插入损耗小于0.32 dB，带外衰减大于20 dB；AVINASH K G等[4]通过加载四分之一波长开路短截线和加方形贴片的方式，提高了通带在高频和低频两侧的选择性；Zhu Lei[5]等通过在方形贴片上开T型十字槽，减小了滤波器的尺寸和回波损耗。
黄晓东等[6]采用加载分布式电容的双模环形谐振器，在实现较大耦合量的同时，保持了谐振器的小型化。孙守家等[7]通过加载一对开路枝节，来影响通带的中心频率，并且利用源和负载耦合的方法来增强源和负载的耦合强度，从而引入新的传输零点。
本文是从方环形贴片结构入手，采用阶梯型阻抗方形环谐振器构成的双模微带滤波器，因为方形环谐振器本身不仅容易实现级联耦合，而且容易降低辐射损耗。在方形环谐振器上引入一个方形切角作为微扰，采用输入/输出与谐振器直接馈电的方式，并对其优化，优化后的滤波器中心频率为2.2 GHz，最大回波损耗优于47.5 dB，3 dB相对带宽为18.2%。且滤波器在通带两侧均有衰减极点，使得阻带抑制性能提高。
1方形双模滤波器的分析
图1为方形贴片谐振器的结构图，根据Wheeler的腔体模型[8]对贴片谐振器的理论研究，贴片谐振器上下底面可以等效为理想电壁，其余面可等效为理想磁壁，则正方形贴片谐振器中的场分布如式(1)所示：
2滤波器的设计
2.1 滤波器的结构分析
本设计的方环形贴片滤波器结构如图2所示，滤波器由阶梯型阻抗方环形谐振器和方形切角微扰组成。阶梯型阻抗的加入使谐振器内部的电流流经长度变长，因为电流的环路周长与谐振器的工作波长成正比，所以使得谐振器的谐振频率降低[9]，减小了滤波器的尺寸。右上方的方形切角作为微扰使得方环谐振器的正交简并模分离。通常把谐振频率相同但场分布不同的模式称为简并模。馈线采用直接耦合的方式，而不是缝隙耦合的方式，在实现强耦合的同时，减小了辐射损耗，提高了制作精度[10]。由图2可看出，本文提出的带通滤波器结构简单，易于制作加工。
2.2 滤波器的性能
采用上文结构的微带双模滤波器，具体设计指标为：中心频率f0=2.2 GHz；通带为2.0 GHz～2.4 GHz(FBW=18.2%)；带内插损小于0.47 dB；边带抑制：对低端阻带1.68～1.72 GHz处的抑制达到35 dB以上，对高端阻带2.55～2.66 GHz处的抑制达到25 dB以上；体积大小为25 mm×25 mm×0.81 mm。
使用高频电磁场仿真软件HFSS进行仿真，本文采用的介质板材料为Rogers RO4003，其相对介电常数为3.55，介质基板的厚度h=0.81 mm，金属层的厚度为0.017 mm，50 Ω微带馈线的线宽为1.78 mm。本文所设计的滤波器中心频率为2.2 GHz，由此设置滤波器结构原始参数a=25 mm，b=3 mm，c=8 mm，d=5 mm，e=3 mm。在固定谐振器其他尺寸的情况下，分析改变环形宽度b对滤波器频率响应特性的影响，将环形宽度分别设为2 mm、3 mm和4 mm，对滤波器进行全波仿真分析后的得到的频率响应曲线如图3所示。
从图3可以看出，滤波器通带两侧均有衰减极点，随着环形宽度的增大，通带内回波损耗减小，两侧衰减极点均向右移动，促使中心频率向高频移动，并且衰减极点也有所降低，使滤波器的选择性能提高。
为了确定方形切角尺寸g对滤波器频率响应特性的影响，将方形切角的边长分别设置为1 mm、1.5 mm和2 mm，对滤波器进行全波分析后得到的频率响应曲线为图4所示。
从图4可以发现，方形切角尺寸对通带内回波损耗S11和通带左侧的衰减极点均有影响，随着g的的减小，左侧衰减极点明显降低。所以在实际设计滤波器时应选择合适的切角尺寸。
为了确定大小阶梯型阻抗中高阻抗长度对滤波器频率响应特性的影响。分别在大小阶梯阻抗中设置不同的高阻抗长度，对滤波器进行全波分析后可得双模滤波器的频率响应曲线如图5和图6所示。
从图5、图6中可以看出，大小阶梯阻抗中的高阻抗长度对通带两侧的衰减极点和回波损耗均有较大影响，随着高阻抗长度的增加，衰减极点明显减小，提高了阻带抑制能力；大阶梯阻抗中，随着高阻抗长度的增加，回波损耗减小，超过某个值时，又增大，所以在实际设计滤波器时，应选取合适的高阻抗长度。
由上述分析可知，在滤波器的设计中可以通过调整环形宽度来调节滤波器的频率和带宽，然后通过调整方形切角尺寸和阶梯阻抗中高阻抗的长度来调节通带两侧传输零点的位置与大小，进而优化滤波器的回波损耗、插入损耗特性。
3 滤波器测试
根据上述分析与设计，通过调整和优化，得到对应于图2所示双模滤波器的最终优化参数如表1所示。
本文中的滤波器加工制作后得到的实物图如图7所示。通过网络分析仪测试滤波器的S参数，测试仿真结果如图8，滤波器的3 dB带宽为400 MHz（相对带宽约为18.2%），两个极点分别位于1.7 GHz和2.6 GHz，测量结果与仿真结果基本吻合。
最后在表2中列出了几类微带双模滤波器结构的相关参数，并与本文所设计的结构进行了对比。从表2中可以直观地看出，本文提出的双模微带滤波器在结构上比文献[7]更加简单，更易于加工；在性能上比文献[3]更为优良。
4结论
本文提出了一种新的方环形贴片滤波器结构，通过在谐振器上引入方形切角来激励简并模，使得滤波器具有良好的带内特性；在谐振器上加载阶梯型阻抗，可以实现滤波器在通带两侧各具有一个传输零点；采用正交直接馈电方式，减小辐射损耗，提高了制作精度，提升了滤波器的实用价值，进一步优化了滤波器的性能，可被应用于S波段卫星通信收发系统中。