杨 虹，肖 雄



四分之一波长多模谐振的内嵌式三频滤波器

杨 虹，肖 雄

（重庆邮电大学 光电工程学院，重庆 400065）

利用四分之一波长的多模谐振器（MMR），通过输入输出端共用短路过孔的方式，对高阻抗线进行部分弯折，分别设计了中心频率为2.4，3.5，5.2 GHz的单频滤波器。发现三款微带滤波器具有相同的高阻抗线和低阻抗线宽度，在此基础上，采用内嵌的方式设计了一款WLAN频段（2.4，5.2 GHz）的双频滤波器和一款中心频率为2.2，3.6，5.5 GHz的三频段滤波器。三频滤波器的尺寸为11 mm×9 mm，满足小型化的要求。利用HFSS12软件设计并仿真。结果表明，双频段和三频段滤波器的11和21参数均达到标准，可适用于无线通信系统。

多模谐振器；内嵌式；三频段；滤波器；小型化；无线通信系统

随着信息技术的不断发展与进步，无线通信系统的应用越来越广泛，频谱资源紧张的问题也日益严重，单一频段的通信系统已经无法满足通信发展的需求，因此，多频段滤波器的研究已成为射频器件研究领域的一个重要课题。同时，信息社会的发展，移动终端的便携化和微型化已成为未来的趋势，小型化的研究也一直是滤波器中的一个热点。目前，国内外学者研究的重点是如何在保障各项性能的同时实现滤波器的小型化。常见的微带滤波器小型化的方法有：采用弯折型谐振器、缺陷接地结构、分形结构和多模谐振器（Multi-Mode Resentor，MMR）。

而多模谐振器又因为插入损耗低、尺寸小、谐振模式多成为目前应用最广泛的结构。常用的多模谐振器的实现方法有闭环谐振微扰法[1]、贴片谐振开槽法[2]、枝节加载法[3]。在目前的滤波器小型化研究中，一般采用的是半波长的SIR（Step Impedance Resonator，阶跃阻抗谐振器）[4]，通过弯折、枝节加载或耦合其他谐振器的方式来实现小型化和多频段，笔者主要探讨利用多对四分之一波长SIR内嵌来实现滤波器的多频段和小型化。

1 滤波器结构的设计

1.1 1/4波长MMR的设计

图1为1/4波长SIR结构图，其输入阻抗in可以定义为：

1/4波长SIR谐振器的谐振条件是in=0，则

（2）

可以得到：

式中：in、in分别是输入端阻抗、导纳；1、2为阻抗线的电长度；z为阻抗比。由公式（2）~（3）可以得出SIR的阶梯阻抗比。不难看出，SIR的三个自由度是电长度1、2和阻抗比z。相比均匀谐振器（Uniform Impedance Resonator，UIR），SIR多了一个自由度z。四分之一波长SIR的归一化总电长度为：

（4）

图1 1/4波长SIR结构图

在图1的四分之一波长SIR的基础上，笔者利用一对1/4波长SIR对称耦合设计了一款中心频率为2.4 GHz的单一频段滤波器，结构如图2，输入输出端采用了共用短路过孔的方式，弯折了部分高阻抗线使滤波器尺寸更小，低阻抗线耦合形成信号传输路径，同时在输入和输出端的馈线上采用阶梯式的馈电结构，这种结构可以使滤波器在2.4 GHz的通带外产生一个传输零点，提高通带选择性。

图3、图4是利用HFSS12对图2的2.4 GHz滤波器进行仿真所得的11、21参数图，结果显示，2.4 GHz滤波器回波损耗优于25 dB，插入损耗为0.06 dB，相对带宽330 MHz，证明设计的滤波器结构性能良好。

图3 2.4 GHz滤波器的S11参数

图4 2.4 GHz滤波器的S21参数

1.2 内嵌式双频滤波器设计

在图2所示的滤波器结构的基础上，调整滤波器结构高阻抗线和低阻抗线部分的长度，可以分别设计出中心频率为3.5，5.2 GHz的单频滤波器。三款滤波器的高阻抗线和低阻抗线具有相同的宽度，中心频率的变化只与电长度有关。本文以此为思路，采用内嵌的方式，让三个频段的滤波器共用短路过孔和部分高阻抗线。首先设计了一款内嵌双频段滤波器来验证设计的可行性，双频滤波器结构如图5所示。

图5 双频滤波器结构图

本文设计的滤波器采用的介质基板为Rogers RT/duroid5880，相对介电常数为2.2，基板厚度为0.65 mm。选定阻抗比z为0.4，电长度1、2分别为52和17，利用ADS的微带线计算工具计算出微带线的长宽。两个微带线共用短路过孔和部分高阻抗线，在两个频段的低阻抗线之间分别耦合形成另外两条信号传输路径2和路径3，不同路径的信号在输出端进行叠加，信号在某些频率下如果出现幅度相同相位相反，则会产生传输零点，控制零点出现的频率在通带外，可以提高滤波器的选择性[5-6]。

利用HFSS12对结构进行仿真，结果如图6和图7所示，从结果图可以看出，该滤波器工作的中心频率是2.4，5.2 GHz，在2.4 GHz频段的带宽为300 MHz，2.4 GHz的插入损耗小于0.5 dB，回波损耗较低（小于18 dB），矩形系数良好，满足滤波要求；在5.2 GHz频段的带宽为360 MHz，中心频率5.2 GHz的插入损耗（小于0.5 dB），回波损耗（小于18 dB）和矩形系数均满足滤波要求。笔者设计的双频滤波器能够工作在WLAN频段并满足基本的滤波要求（回波损耗小于10 dB，插入损耗小于3 dB）。

图6 双频段滤波器仿真S11结果

图7 双频段滤波器仿真S21结果

2 内嵌式三频滤波器设计

在上文提出的双频滤波器的基础上，将第三个频段的滤波器内嵌到上文设计的双频滤波器上面，设计了一款三频滤波器，结构如图8所示，在5.2 GHz四分之一波长SIR和2.4 GHz四分之一SIR波长之间内嵌上3.5 GHz频段的四分之一波长SIR，同样采用输入输出端共用短路过孔和部分高阻抗线的方式，对滤波器的各个参数进行优化，最后设计出了一款尺寸为11 mm×9 mm的满足LTE/WiMAX/ WLAN频段要求的三频滤波器。仿真结果的11和21参数分别如图9和图10所示。不难看出，本文设计的三频滤波器的中心频率为2.2，3.6，5.5 GHz，相对带宽分别为390，110，290 MHz。2.2，3.6，5.5 GHz频段的插入损耗情况良好，基本满足要求(小于2 dB)；2.2 GHz频段的回波损耗小于20 dB，3.6，5.5 GHz频段的回波损耗有所增加，略小于15 dB，这是由于内嵌三个频段的微带线时，相当于三个微带线并联，会造成回波损耗的上升，但本文设计的滤波器回波损耗的结果依旧满足无线通信的基本要求（小于10 dB）[7-8]。

图9 三频段滤波器仿真S11结果

图10 三频段滤波器仿真S21结果

3 结论

利用四分之一波长的SIR，在输入输出端共用短路过孔、低阻抗线之间耦合形成信号传输路径的方法，采用内嵌的结构设计了一款满足WLAN（2.4, 5.2 GHz）通信频段要求的双频滤波器。利用仿真软件HFSS12进行仿真验证，仿真结果验证了设计的正确性。然后，在设计的双频滤波器的基础上，继续采用内嵌的方式，在5.2 GHz和2.4 GHz的SIR之间内嵌上3.5 GHz频段的微带线，利用HFSS12对设计的结构参数进行仿真和优化，设计出了一款中心频率在2.2，3.6，5.5 GHz的三频滤波器，滤波频段满足无线通信系统中的LTE/WiMAX/WLAN频段。

[1] LUO S, ZHU L Z, SUN S. Compact dual-mode triple-band bandpass filters using three pairs of degenerate modes in a ring resonator [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2011, 59(5): 1222-1229.

[2] GORUR A. A novel dual-mode bandpass filter with wide stop-band using the properties of microstrip open-loop resonator [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2002, 12(10): 386-388.

[3] HONG J S, HUSSEIN S, CHUN Y H. Dual-mode microstrip open-loop resonators and filters [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2007, 55(8): 1764-1770.

[4] 唐伟. 基于三维电磁耦合的滤波器研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2015.

[5] 杨阳. 内嵌式三频微带滤波器研究[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2014.

[6] CHANG C Y, CHEN C C. A novel coupling structure suitable for cross-coupled filters with folded quarter-wave resonators [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2003, 13(12): 517-519.

[7] WU G C, WANG G M, JIANG G L, et al. Miniaturised microstrip dual-band bandpass filter using novel symmetric double-spiral resonators for WLAN application [J]. Electron Lett, 2015, 51(15): 1177-1178.

[8] LETAVIN D A, MITELMAN Y E, CHECHETKIN V A. A novel method of design of miniaturized microstrip microwave devices using filters [C]//Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems. NY, USA: IEEE, 2015:1-3.

（编辑：陈渝生）

Design of a tri-band filter with embedded structure based on 1/4 wavelength MMR

YANG Hong, XIAO Xiong

(College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

Using multi-mode resonator with 1/4 wavelength, through sharing short-circuit through hole of both input and output terminal together with bending high impedance line partly, single frequency filters with the center frequency of 2.4, 3.5, 5.2 GHz respectively were designed. It was found that these three filters have the same width in high impedance and low impedance line. Based on above results, using embedded method, a dual-band filter in WLAN band (2.4, 5.2 GHz) and a tri-band filter with three center frequencies of 2.2, 3.6, 5.5 GHz were further designed. To meet the requirement of miniaturization, the size of the tri-band filter is designed of 11 mm×9 mm. The simulation results with HFSS12 software show that the parameters of11and21both reach the standard concerned and the filters can be used in wireless communication system.

multi-mode resonator; embedded; tri-band; filter; miniaturization; wireless communication system

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.016

TN713

A

1001-2028（2017）05-0077-04

2017-02-04

杨虹

国家自然科学基金资助项目（No. 61102075）；模拟集成电路重点实验室基金项目（No. 61428020115162802003）；重庆市重点产业共性关键技术创新专项项目（No. cstc2016zdcy-ztzx0038）

杨虹（1966－），男，四川蓬溪人，教授，研究方向为微电子材料与元器件等，E-mail: yanghong@cqupt.edu.cn ；肖雄（1992－），男，湖北天门人，研究生，研究方向为光电集成与射频集成电路等，E-mail: 2431541350@qq.com。

网络出版时间：2017-05-11 13:28

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1328.016.html