基于环形谐振器的平衡式带通滤波器

基于环形谐振器的平衡式带通滤波器

张诚;施金;杜明珠;林垄龙;徐凯

【摘要】提出了一种基于多模环形谐振器实现的平衡式带通滤波器,其主要由加载了电阻和短路枝节的环形谐振器和两对平衡端口构成.所提出的滤波器能够以单个谐振器获得差模的双模响应,并且具有结构简单,共模抑制高,带宽可进行有限控制(4％～9％)的优点.为验证理论预期的可实现性,在RO4003C基板上设计了一个工作在1.87 GHz的平衡式带通滤波器.实验结果表明该滤波器的20-dB阻抗匹配带宽为8.9％,中心频率处的插入损耗为0.86 dB,在1～3 GHz频率范围内的共模抑制大于30 dB.%A balanced bandpass filter (BPF) using multi-mode ring resonator is proposed,which is configured by two pairs of balanced ports and a ring resonator with loaded resistors and shorted stubs.The proposed filter can get dual-mode differential-mode response with single resonator,and it has the advantages of simple structure,high common-mode suppression and finite controllability of bandwidth (4％-9％).A prototype at 1.87 GHz is designed on RO4003C substrate to verify the theoretical prediction.Measured results show that the 20-dB impedance matching bandwidth is 8.9％,the insertion loss at the center frequency is 0.86 dB and the common-mode suppression is greater than 30 dB from 1 GHz to 3 GHz.

【期刊名称】《电波科学学报》

【年(卷),期】2016(031)006

【总页数】7页(P1046-1052)

【关键词】环形谐振器;平衡式带通滤波器;电阻加载;短路枝节加载;共模抑制

【作者】张诚;施金;杜明珠;林垄龙;徐凯

【作者单位】南通大学电子信息学院,南通226019;南通大学电子信息学院,南通226019;南京大学,南京210033;南通大学电子信息学院,南通226019;南通大学电子信息学院,南通226019

【正文语种】中文

【中图分类】TN713+.5

平衡式器件由于具有较强的抗噪声、抗干扰性能,而被广泛应用在无线通信系统中.滤波器是无线通信系统重要的部件之一,因此平衡式滤波器的研究受到了广泛关注,平衡式滤波器能够构建差分通带并同时抑制共模信号.针对平衡式滤波器的设计,近几年出现了很多种实现方式.文献[1-2]提出了一种基于集总参数谐振器实现的平衡式滤波器,但受限于集总参数本身的限制,电路无法在高频工作.文献[3-7]提出了基于分布参数实现的平衡式滤波器;其中文献[3-5]提出了基于基片集成波导实现的平衡式滤波器,基片集成波导的使用使得该类型的滤波器能够获得较高的品质因数.文献[6]提出了一种使用缺陷地来减小平衡式滤波器电路尺寸的方法,但其缺点是会增加额外的加工成本.文献[7]给出了基于耦合线结构实现的平衡式滤波器,耦合线结构的使用使得该类型的滤波器获得了结构紧凑、简单的优点.上述平衡式滤波器都是以单模谐振器构建而成,因此实现双模响应需要两个谐振器.

多模谐振器构建而成的滤波器能够在单一谐振器的情况下实现多模响应.目前,多模谐振器主要应用于单端式滤波器的设计.Wolff首先提出了环形双模谐振器[8]并构建了单端式滤波器,通过在该谐振器正交面引入扰动元件来激励出两个简并模,从而实现双模响应.为了在不增加谐振器个数的情况下增加频带选择性,人们提出了很多

不同形式的多模谐振器包括双模[9-10]、三模[11-12]甚至四模[13]谐振器并用于单端滤波器的设计.但是目前利用多模谐振器实现的平衡式滤波器比较少.文献[14]给出了基于多模谐振器实现的平衡式滤波器,对称式多模谐振器的使用实现了宽频带、高频率选择性的性能.

本文提出了一种加载一对短路枝节和一对电阻的新型多模环型谐振器并应用于平衡式带通滤波器的设计.该设计和传统的实现多模平衡式滤波器的设计相比,具有结构简单、共模抑制高、带宽可进行有限控制等优点.为明确该滤波器的设计流程,本文分析了该滤波器的工作原理,最终设计了一个工作在1.87 GHz的实际案例,该案例验证了理论预期.

图1是所提出的平衡式滤波器的示意图,其主要由加载了电阻和短路枝节的环形谐振器和两对用来给环形谐振器耦合馈电的微带结构构成,其中①、○1′为输入平衡式端口,②、○2′为输出平衡式端口;环形谐振器上加载的电阻和短路枝节分别位于水平对称轴和垂直对称轴与谐振器的交点处.由于这个环形谐振器为中心对称结构,所以可以对其进行差模和共模分析.

1.1 差模分析

当对所提出的平衡式滤波器进行差模激励时,此时水平对称面等效为电壁,所以环与水平对称轴的交点为虚拟短路,因此差模等效电路可由图2(a)所示.差模等效电路中的谐振器为两端接地、中间加载短路枝节的微带结构;又因为差模等效电路沿垂直方向对称,所以可以对差模等效电路下的谐振器进行奇偶模分析,得到图2(b)和(c)所示的奇偶模等效电路.

图2(b)和(c)中对应的输入导纳可分别表示为:

式中: Z是传输线的特性阻抗; d,l是传输线物理长度, 如图2所示; β为传播系数.当输入导纳虚部为零时,谐振器产生谐振; 根据式(1)和式(2)可获得谐振器的奇偶模谐振条件分别为: