小型微带带通滤波器的设计

t
·Kg
(1)
Ξ 收稿日期 :2003207207 作者简介 :张军 ,男 ,1980 年生 ,学士. 研究方向 :微带天线 ,微波电路. E2mail :jzhang6 @mail . ustc. edu. cn
第 4 期 小型微带带通滤波器的设计
C ( pF) = 3. 937 ×10- 8 L (εr + 1) [0. 11 ( n - 3) + 0. 252 ]
而带宽以及增益变化不明显. (3) 从图 9 中可以看出 , n 值对中心频率影响很大 , n 越大中心频率就越低. 这是由于 n
越大并联的电容越多 ,因此电容也就越大 ,造成中心频率越低.
综合以上模拟结果 ,图 10 给出修正后的滤波器等效电路图. 与原理电路图 1 相比 ,其中 计入了 W1 对电容值的影响以及 W2 引入的附加电容 ,并由此给出修正后的计算滤波器中心 频率的经验公式 (单位 :mm) :
3. 2 和类交趾滤波器的比较 介质板厚度为 1. 27 mm、介电常数为 10. 8 的类交趾滤波器[4]结构和测试结果如图 14 、
15 所示 ,中心频率为 1. 1 GHz. 根据本文方法 ,在相同介质板上设计中心频率为 1. 1 GHz 的 滤波器 ,电感部分用弯曲的微带来实现以减小尺寸[6] ,同时采用两个单元级联以达到和图 15 相近的带宽 , 尺寸为 W1 = 0. 127 mm , L = 2. 286 mm , W2 = 0. 127 , S = 0. 127 mm , L1 = 1. 27 mm ,其表现如图 16 所示. 本文方法设计的滤波器所需的尺寸为 10. 5 mm ×9. 8 mm ,面
(1) 从图 6 中可以看出 ,当 W1 增大时中心频率 、增益 、带宽都有不同程度的增大. 这由于
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中国科学技术大学学报 第 34 卷
W1 增大时 ,会使电容减小的结果. (2) 从图 7 和图 8 中可以看出 , W2 增大时中心频率变大 , L 长度变大时中心频率减小 ,
第34卷第6期
中 国 科 学 技 术 大 学 学 报
Vol . 34 ,No. 6
2 0 0 4 年 1 2 月 JOURNAL OF UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA Dec. 2 0 0 4
文章编号 :025322778 (2004) 0620732207
图 14 类交趾滤波器结构图 Fig. 14 Structure of pseudo2
图 15 类交趾滤波器的测量结果 图 16 本文中滤波器的模拟结果
Fig. 15 Experiment results of pseudo2
Fig. 16 Simulated results of
interdigital filters
[2 ] Karacaoglu U ,Robertson I D , Guglielmi M. An im2 proved dual2mode microstrip ring resonator filter with simple geometry [ A ] . Proc. European Mi2 crowave Conference [ C ] . Boston ,USA ,1994 : 4722 477.
1 理论分析
图 1 所示电路具有带通滤波器功能. 为利用微带线设计带通滤波器 ,首先分别用不同结 构的微带线来实现图 1 中的电感和电容元件. 图 2 、3 分别实现电容和电感 ,其值由[ 6 ]可得 , 分别为
L ( nH)
= 2 ×10- 7 l ln l
W+t
+
1. 193
+
0.
2235
W
+ l
[3 ] HONGJ S ,Lancaster M J . Microstrip bandpass fil2 ter using degenerate modபைடு நூலகம்s of a novel meander loop resonator [J ] . IEEE Microwave and Guided
Wave Letters ,1995 ,5 (11) :3712372. [4 ] 胡洁 ,朱旗 ,丁文武. 利用信号与系统概念分
小型微带带通滤波器的设计Ξ
张 军 ,朱 旗 ,张华亮 ,黎 洋
(中国科学技术大学电子工程与信息科学系 ,安徽合肥 230027)
摘要 :利用多条微带线间的耦合增加滤波器内部的耦合度 ,提出一种小型窄带带通滤 波器的设计 ;从微带线的等效分布电感电容出发 ,结合模拟和试验结果以及滤波器结 构参数对滤波特性的影响 ,提出该滤波器的等效 LC 电路模型以及计算中心工作频 率的经验公式. 数值模拟和试验结果验证了该设计思想. 关键词 :带通滤波器 ;小型化 ;类交趾滤波器 中图分类号 :TN8 ;TN92 文献标识码 :A
图 19 用于“蓝牙”鼠标滤波器的模拟结果 Fig. 19 Simulated results of filter for Bluetooth
图 20 不对称滤波器结构及模拟结果 Fig. 20 Structure and simulated results of
asy mmetry filter
0 引言
传统微带线结构的微波器件在低频段应用时 ,面积仍较大. 例如在“蓝牙”技术 2. 4 GHz 频段处 ,传统微带结构的滤波器和微带天线的长度仍大于 12 厘米 ,显然难以应用到移动通 讯中. 因而研究小型化的微波器件已成为微波技术发展的必然. 近年来 , 多模微带滤波 器[1～4] 、类交趾滤波器[5]由于具有尺寸小 、重量轻 、低成本等特点取得了一定的发展 ,但仍存 在着面积较大 、增益不高等问题. 注意到增加滤波器结构中微带线间的有效耦合面积 ,可以 提高滤波器内部的耦合度 ,从而达到减小滤波器面积的目的. 本文提出一种小型的微带带通 滤波器设计. 在该设计中 ,采用多个相互耦合微带线以提高滤波器的耦合度 ,降低了滤波器 的面积 ,同时 ,从微带线的等效分布电感 、电容出发 ,结合模拟和试验结果 ,提出了该类滤波 器的等效 LC 电路 ,并分析了结构参数对滤波特性的影响 ,给出了计算该类滤波器中心工作 频率的经验公式 ,数值计算和实验验证了本文的设计思想.
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积只有图 14 的 20 %. 同时我们提出的滤波器有两个突出优点 :损耗小 ;长宽比例可以通过调 节交趾数目和微带线电感的长度进行灵活调整 ,而不象类交趾滤波器那样受制于 1/ 4 波长 限制 ,因而更适用于微波集成电路中使用.
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其中 L 、W 、t 为微带的长 、宽 、厚 ,单位为 mm , Kg 是考虑了接地板作用后的修正因子[6] , n 为 图 3 中交趾微带线的数目. 将上述微带结构按图 1 所示等效电路组合 ,理论上就可实现带通
滤波器功能. 其结构如图 4 所示 ,中心频率为
f=
5. 67 ×107
图 17 加工好的滤波器的实物照片
图 18 模拟和测量结果的比较
Fig. 17 The filter designed in this paper
Fig. 18 Simulated and experiment results
3. 4 实际应用以及设计改进
根据以上方法 ,我们设计了一种中心频率为 2. 45 GHz 的带通滤波器. 该滤波器 L = 6.
interdigital filters
our design
3. 3 实验结果
为了证明本文的设计方法 ,我们在厚度 1. 5 mm、介电常数 4. 7 的 FR24 材料上设计了中
心频率为 2. 45 GHz 的滤波器 ,图 17 为实验样片实物图. 图 18 为实验和模拟结果. 从图中我 们可以看出在通带内两者非常吻合.
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f
=
ln
32. 4 W1 1000
×
25. 4L 1000
63. 6
0. 25
× ln
25. 4 W2 1000
- 0. 45
( GHz)
× εr
(4)
利用公式 (4) 计算得图 3 中模拟结构的中心频率为 3. 634 GHz ,与模拟结果十分接近.
4 结论
本文提出了一种小型微带窄带带通滤波器的设计 ,这种滤波器体积小 、结构紧凑 、设计 尺寸灵活的特点使它非常适合应用于现代移动通讯系统中. 借助于带通滤波器原型电路以 及结构参数灵敏度分析 ,给出了中心频率的近似计算公式. 数值计算和实验结果吻合良好 , 验证了本文的设计思想.
参考文献
[1 ] Curtis J A , Fiedziuszko S J . Miniature dual mode microstrip filters [ A ] . IEEE MTT2S International [ C] . Boston ,USA ,1991 ,2 :4432446.
注意到 S (2 ,1) 在 5. 8 GHz 时已达 - 4dB ,而 5. 8 GHz 是“蓝牙”技术的另一个应用频段 ,
S (2 ,1) 较高将会引入一些干扰信号. 为解决此问题 ,遵循前面思路 ,仍利用两个滤波器单元
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串联 ,只是此处采用了两个不同的滤波单元串联 ,希望通过这种不对称结构使得第二个峰的 出现频率相互错开 ,从而使 5. 8 GHz 的第二个峰消失. 图 20 给出改进后的滤波器结构及模 拟结果 ,从中可以看到在 5. 8 GHz 时 S (2 ,1) 只有 - 32dB ,在 2. 4 GHz 时 S (2 ,1) 仍然很高.
带宽为 0. 2405 GHz 的窄带带通滤波器. 而利用式 (3) 的计算结果则存在相当大的误差 ,这是
由于仅考虑了主要部分的电感和电容 ,而忽略可能引入的寄生电感电容所致.
2 结构参数的灵敏度分析
实际工作中 ,滤波器的结构参数会随环境发生微小变化 ,进而影响其工作特性 ,因而在 滤波器的实际设计中 ,仅仅给出了滤波器的中心频率 、带宽以及增益是不够的 ,特别是利用 公式 (3) 计算滤波器的中心频率存在较大误差 ,因而必须分析结构参数对滤波器性能的影 响 ,并对滤波器等效电路进行修正. 以下给出 L 、W1 、W2 等值对滤波器性能影响的具体分析.
3 扩展分析和实验结果
3. 1 多单元级联结果 由于多个电容的串联可降低电容 、降低电路 Q 值 、展宽工作带宽. 为克服上述滤波器带
宽窄的缺点 ,如图 11 所示 ,我们将两个相同滤波器串联. 图 12 、13 分别是单个滤波器单元和 由两个相同单元串联结构的模拟结果 ,其中 , W2 = 0. 4064 mm , L = 1. 4097 mm , W1 = 0. 254 mm , S = 0. 127 mm. 比较图 12 、13 可以看出 ,两者的中心频率都为 5. 5 GHz ,其中单个滤波单 元 - 1dB 带宽为 5. 1 % ,而两个单元的 - 1dB 带宽为 10 %. 从而表明利用多个滤波单元的串 联可以达到展宽工作带宽的目的.
LL1 (εr + 1) 0. 11 ( n - 3) + 0. 252
ln
L W2 +
t
+ 1. 193
+ 0. 2235
W2 + L
t
( GHz) Kg
(3)
根据以上分析 ,我们设计了一个微带带通滤波器 ,其结构如图 4 所示 ,图 5 为其数值模
拟结果. 从图 5 中我们可以看出该滤波器是一个中心频率为 3. 7 GHz 、增益为 0. 6038dB 、3dB
35 mm , W2 = 0. 762 mm , W1 = 0. 508 mm , L1 = 3. 937 mm , S = 0. 254 mm (如图 4 所示) . 其模拟 结果如图 19 所示. 从图中可以看到插入损耗最小可达 - 0. 8614dB ,而插入损耗为 - 1dB 时
的带宽有 110MHz ,可以满足“蓝牙”技术对无线鼠标的指标要求.