为了实现移动基站的小型化双频带带通滤波, 基于非对称阶梯阻抗谐振器(SIR), 提出了两个通带中心频率和带宽均可调节的小型化双频带带通滤波器的设计方法, 设计并制作了用于移动基站的0.9 GHz和1.8 GHz的双频段滤波器, 测试结果与设计原理符合.该滤波器由2个加入了内部准集总短截线的开放式SIR组合而成, 并由它们谐振产生2个不同的通带, 其中第1个通带中心频率只取决于外部SIR的参数尺寸, 而第2通带中心频率则要同时取决于外部SIR和准集总短截线的参数尺寸.最后设计制作了一个工作在移动基站0.9 GHz和1.8 GHz的双频带带通滤波器, 其滤波器尺寸为24.76 mm×13.5 mm, 并对其性能进行了测试.实验结果表明, 仿真S参数和测量结果符合良好, 从而验证了这种设计方法的有效性.
A compact dual-band bandpass filter was designed and developed based on asymmetrical stepped impedance resonators (SIR) for the realization of miniature dual-band bandpass filtering in mobile base station. The two central passband frequencies and bandwidths of the proposed filter can be adjustable by geometric parameters. A folded stepped impedance resonator modified by adding an inner quasi-lumped SIR stub was used as the basic module of a new configuration of dual-band bandpass filter to produce two different passbands. The first pass-band of the filter only depends on the dimensions of the external SIR, while the second passband depends on both the external SIR and the quasi-lumped stub. A dual-band filter operating at 0.9 GHz and 1.8 GHz was designed, fabricated and measured for the application of mobile phone base stations. The dimension of the proposed filter is 24.76 mm × 13.5 mm. The experimental results show that the measured S parameter fits very well with the simulation. The effectiveness of the proposed design method was validated.
随着无线通信技术的高速发展，各种各样的便携式数字设备，如袖珍计算机、笔记本电脑、可穿戴计算机、智能手机、数码相机、汽车导航仪等都应用了无线通信技术[1]，而且这些移动终端的无线模块大多工作在两个或多个频段，泛在通信系统逐渐应用到数字通信终端上.考虑到便携式数字设备的生产成本、重量和美观等因素，高选择性、小尺寸、低损耗的带通滤波器在泛在无线通信系统中具有十分重要的应用前景[2].微带带通滤波器作为一种应用很广泛的微波器件[3]，不仅对其高性能和小型化的要求越来越高，而且要求其中心频率和带宽均可调.
为了达到良好的双频带通特性，带通滤波器最新的设计方法主要有：Wu[4-5]等用不同拓扑结构的阶梯阻抗谐振器(SIR, stepped impedance resonators)，得到了很好的截止频带特性. Tseng等[6]采用网状的谐振器设计双频带带通滤波器，得到了20 dB的截止频率是第1个通带频率5.6倍的宽带截止特性. Wang等[7]采用了双模式微带E型谐振器，并通过两段T型馈线展宽了截止频带. Hoang等[8]在多层介质基板上采用等效集总电感电容谐振器实现双频段滤波.这些设计的主要难点在于滤波器的频带、带宽的可调性以及尺寸小型化等方面.
因此，在常规SIR的结构基础之上改进优化设计方法，通过在其内部引入一根准集总短截线，设计了一种小型化双频带微带滤波器.滤波器的两个频段可以根据结构参数调节.滤波器的第1个频段只取决于外部SIR的参数尺寸，而第2频段则要同时取决于外部SIR和内部准集总短截线的参数尺寸.通过调整准集总短截线的偏移，形成非对称结构，可以实现带宽的调节.相对于已有的双频带带通滤波器，具有频率、带宽可调节性能好，结构简单，尺寸小，最低可调节频率更低等优点.根据常见通信系统的设计需求，设计并制作了一种工作在移动基站0.9 GHz(通带带宽40 MHz)和1.8 GHz(通带带宽75 MHz)的双频段带通滤波器，并对其性能进行了测试.通过仿真和测量获得的S参数曲线符合，验证了提出的非对称SIR的小型化双频带带通滤波器设计方法.
1 谐振器设计原理图 1中所示为改进后的SIR的结构图.在谐振器内部的短截线，可以相对于中间高阻抗线部分AA′偏移，其偏移量为D.因此该双频带滤波器为非对称结构.偏移量为D与带通滤波器的设计要求相关. AA′为外部谐振器的对称轴，L为各段阶梯阻抗的长度，W为各段阶梯阻抗的宽度.
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图 1 改进后的SIR结构 |
当D的值为0时，谐振器为对称结构.奇模和偶模激励下对称结构谐振器分别对应不同的等效传输线模型.奇模激励下对称结构谐振频率只与外部SIR的参数尺寸有关；而偶模激励下谐振频率则与外部SIR和内部短截线的参数尺寸都有关系.两种情况下谐振器对应的等效传输线模型，分别如图 2(a)和(b)所示.图中Zi和Li(i=1, 2, 3, …)分别为各部分微带传输线对应的阻抗和电长度.
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图 2 对称SIR的传输线模型 |
当D的值不为0时，此谐振器结构可以用图 3所示的等效传输线模型来分析：两条传输线和一条开放式SIR短截线组成的T型电路与开放式耦合线路的并联. 图 3中，Z1, 2和l1, 2分别为谐振器两条耦合线(对应图 1中长度为La，宽度为Wa的部分)的模态阻抗和电长度；Z3和l3分别表示微带线(对应图 1中长度为Lb+Le，宽度为Wb的部分)的阻抗和电长度；而Z4, 5和l4, 5则分别对应内部短截线两部分各自的阻抗和电长度.而根据微带电路的基本原理，可以求得谐振频率.
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图 3 滤波器的传输线模型 |
谐振器短截线的电长度会随着频率的增大而增大，那么对于阶次越高的谐振频率，D对其影响越大.改进设计的滤波器的短截线的电长度小于第二谐振频率对应的波长，所以，当谐振器内部短截线的中线与轴AA′之间的距离D改变时，谐振器的第一和第二谐振频率几乎保持不变.仿真结果也证实了这一点.
仿真中使用了基于有限元算法的Ansoft公司的高频结构仿真软件(HFSS，high frequency structure simulator).选取介电常数εr=4.4，厚度为0.4 mm的环氧板(FR4，flame retardant self extinguishing)材料作为介质基板. 表 1中列出了谐振器的第一和第二谐振频率(f1和f2)随偏移量D的变化关系.
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表 1 不同偏移量D值时谐振频率的仿真数据 |
从表 1中可以看出，第1谐振频率几乎不随D的变化而变化，第2谐振频率的变化范围在2.5%左右.可以通过微调Wd的值来使得两个谐振频率的值几乎不随D的变化而变化.调整后的情况如表 2所示.
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表 2 调整Wd后不同D值对应的谐振频率 |
根据非对称SIR来设计双频段带通滤波器，并采用两个谐振器串联来优化双频带滤波器的性能指标.设计方法传统的单通带且直接耦合滤波器的设计方法相近.使用有限元仿真软件Ansoft HFSS来完成滤波器的设计与仿真，并通过多参数优化获得最优的参数尺寸.
双频带带通滤波器设计步骤如下：首先，调整外部SIR的参数尺寸，使其第一个谐振频率与滤波器第一个通带的中心频率fl相等.增大外部谐振器的尺寸会使第一个谐振频率变低，反之会使之增高；然后，通过调整内部短截线的参数尺寸使其第2个谐振频率与滤波器第2个通带的中心频率fh相等.增大内部短截线的尺寸会使第2谐振频率减低，反之会使之增高.最后，改变两个谐振器之间的间距d1以及谐振器内部短截线的中线与轴AA′之间的距离D来调整两个谐振器之间的耦合系数和两个通带的相对带宽，如图 4所示.仿真结果表明，滤波器第一通带的相对带宽B1与两个谐振器之间的间距d1密切相关，即d1越小，滤波器第一通带的相对带宽B1越大.而滤波器第二通带的相对带宽B2可以通过改变D的值来进行控制.随着D的增大，B1略变大，而B2显著减小.
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图 4 双频带滤波器结构图 |
根据移动基站对双频带滤波器的实际需求，设计双频带带通滤波器.待设计两个通带的中心频率分别为f1=0.9 GHz和f2=1.8 GHz.
为了验证上述滤波器设计方法的有效性，在相对介电常数εr=4.4，损耗角正切tanδ=0.025，厚度为0.4 mm的FR4基板材料上制作滤波器样品，如图 5所示.该滤波器的主要参数尺寸与仿真得到的最优参数尺寸相同，整体尺寸为24.76 mm×13.5 mm.
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图 5 双频带带通滤波器实物图 |
所设计的滤波器结构参数定义如图 1和图 4所示.其中，D的值为1.97 mm，d1，d2宽度均为0.2 mm，滤波器左右两侧微带馈线的宽度为0.71 mm，以实现50 Ω的阻抗匹配，馈线的长度为7.1 mm，其他参数尺寸以及基板与图 1相同.对应于谐振频率f1=0.9 GHz和f2=1.8 GHz，谐振器的具体参数尺寸如下：La=4.8 mm，Lb=8.52 mm，Lc=1.73 mm，Ld=4.12 mm，Le=6.14 mm，Wa=6.04 mm，Wb=0.18 mm，Wc=0.83 mm，Wd=4.32 mm.
使用安捷伦矢量网络分析仪N5245A(通过校准件N4691-40004校准)对该滤波器进行了测试，仿真和实测的S参数频率响应如图 6所示.从图 6中可以看出，在0.9 GHz和1.8 GHz处的插入损耗分别为-2.9 dB和-2 dB，回波损耗分别为-22.4 dB和-14.5 dB.低频和高频通带的3 dB带宽分别为40 MHz和75 MHz.通过对比，可以看出仿真与实测结果符合得很好.
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图 6 双频带带通滤波器的仿真和测试结果 |
所设计非对称双频带带通微带滤波器，由两个改进后的SIR组合而成，工作在移动基站0.9 GHz和1.8 GHz通信频段，外尺寸小于24.76 mm×13.5 mm.通过调整外部SIR的参数尺寸和内部短截线的参数尺寸，能实现滤波器的双频特性和通带带宽.最后设计并加工了一个双频带带通滤波器，实测结果和仿真结果基本符合，从而验证了这种设计方法的有效性.
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