新型开环谐振器带通滤波器的设计_江新华

第14卷第3期
2008年6月
上海大学学报(自然科学版)
JOURNAL OF SHANGHAIUNIVERSITY (NATURAL SCIENCE)
Vo.l 14 No. 3
Jun. 2008
收稿日期:2007-04-03　通信作者:李国辉(1970~),男,副教授,博士,研究方向为微波光子学与非线性理论. E-mai:l ghlee@ sohu. com
文章编号:1007-2861(2008)03-0236-03
·研究简报·
新型开环谐振器带通滤波器的设计
江新华,　李国辉
(上海大学通信与信息工程学院,上海200072)
摘要:提出一组新型的方形开环谐振器,使用这种新型的谐振器设计微带线带通滤波器,可以有效地减小滤波器的
尺寸.利用其中一种新型的谐振器,设计加工了一个小型化带通滤波器,仿真与测试结果显示,该滤波器有很好的
频率选择性、阻带特性和较小尺寸.与传统的开环谐振滤波器比较,尺寸减小了30%.
关键词:小型化;带通滤波器;开环谐振器;微带线
中图分类号:TN 713+. 5 文献标识码:A
Design ofBand-Pass Filter with NovelOpen-Loop Resonators
JIANG Xin-hua,　LIGuo-hui
(School ofCommunication and Information Engineering, ShanghaiUniversity, Shanghai 200072, China)
Abstract:In this paper, several square open-loop resonators with transmission lines are proposed to
design optimized bandpass filters. In comparisonwith conventional open-loop resonator bandpass filters,
the proposed filter can achieve size reduction. A compactmicrostrip filter using one of these open-loop
resonators is fabricated and measured. Simulation and measurement on the fabricated filter show high-
frequency selectivity and good stop-band characteristic with small dimensions. Compared with
conventional filters using coupled square open-loop resonators, the proposed filterhas a size reduction of
30%.
Key words:miniaturization; bandpass filter; open-loop resonator; microstrip
为了满足日新月异的无线通信对小型化带通滤
波器的要求,人们做了大量的工作,取得了很多成
果[1-6].在文献[1]中,通过级联一个高通滤波器与
一个低通滤波器的方式来实现带通特性,并将高通
滤波器与低通滤波器交叉地嵌在一起,从而节省了
大量空间. Jordi等利用在微带线底板蚀刻互补开口
谐振环(CSRR)的方式,从而在某些频率产生左手
特性得到通带.由于同心圆环之间分布电容的存在,
使得滤波器尺寸大大降低[2-3].另外,光子带隙结构
(PBG)[4]和缺陷地结构(DGS)[5]都能在一定程度
上降低滤波器件的尺寸. Zhang等[6]提出了一种小
尺寸窄带带通滤波器,它由两个相同大小的新型微
带线开环谐振器构成.这种谐振器在开环内部连接
着两个三角形开口环,可以在不增加电路面积的情
况下降低谐振频率,达到小型化的目的.
本设计提出了一组新型的开环谐振器,它由一
个传统的方形开口环构成,在其内部有规则地接上
传输线引入电容负载,并用

其中一种新型的谐振器,设计了一个带通滤波器,实现了优良的性能.与传统
的开环谐振滤波器比较,减小了30%的尺寸,并且
有很小的带内损耗、很高的频率选择性以及很好的
阻带特性.仿真与实验结果得到了较好的吻合.
1　滤波器设计
1.1　新型谐振器结构及电磁特性
新型谐振器如图1(a)~(c)所示.它是由一个
方形开口环,并在其内部接上不同的传输线结构所
组成的.与传统开口谐振环(如图1(d))相比,这种
结构利用了开口环内部的空间,因为传输线放在开
口环内部,所以并不占用更多的空间.这相当于在谐
振器中引入了电容负载,因而可以降低谐振频率.若
图1中4个开口环尺寸相同,由电磁仿真得到这4
种结构的回波损耗,如图2所示.它们的谐振频率分
别为1. 80、2. 02、2. 26、2. 56 GHz.可见,在不增大电
路面积的情况下降低了谐振器的谐振频率,达到减
小尺寸的目的.
图1　4种不同结构的谐振器
Fig. 1　Four different resonators
图2　4种不同结构谐振器的回波损耗图
Fig. 2　Return loss for four resonators
我们可以把这些结构等效成是连接电容性负载
的无耗传输线谐振器[7],如图3所示.通过计算该结
构传输线的ABCD矩阵,可以得到:
θa0=2arctan1πf0ZaCL, (1)
θa1=2π-2arctan(πf1ZaCL), (2)
从式(1)和(2)中可见,在电长度θa0和θa1不变的情
况下,随着电容负载CL的增加,谐振频率f0和一次
谐波f1都会随之变小;根据进一步的研究得到,f1/f0
的值将会增大[7].因此能够达到降低谐振频率、改
善阻带特性的效果.
图3　容性负载传输线谐振器
Fig. 3　Capacitively loaded transm ission line resonator
1.2　滤波器设计
作为应用,用图1(a)型谐振器设计了一个窄带
小型带通滤波器.选用相对介电常数为2. 8,厚度为
0. 8 mm的介质板,结构如图4(a)所示.为了比较,
采用图1(d)型谐振器也设计了一个相同尺寸的传
统开环谐振滤波器如图4(b).
(a)提出的新型结构
(b)传统结构
图4　两种不同结构的滤波器
Fig. 4　G eom etry of two types of filters
经过计算、仿真和优化,得到具体尺寸如下:
a=12 mm,b=12 mm,w=2 mm,n=2 mm,m=0. 4
mm,k=0. 2 mm,s=0. 2 mm,p=1 mm.
2　仿真及测试
使用sonnet对图4相同尺寸不同结构a型和b
237　第3期江新华,等:新型开环谐振器带通滤波器的设计 型滤波器进行仿真优化.得到仿真结果进行比较,结
果如表1所示.
表1　两种结构滤波器的特性比较
Tab. 1　Characteristics of two types of filters
a型b型
f0/GHz 1. 80 2. 56
S21max/dB -70 -14. 4
ξ/(dB·GHz-1) 64. 7 10. 6
BW20dB/GHz 1. 5 0
表1中f0表示滤波器的通带中心频率,S21max表
示阻带最大衰减,BW20dB表示阻带20 dB带宽.而选
择性ξ[8]为
ξ=αmin-αmaxfs-fc, (3)
式中,αmin是20 dB衰减点,αmax是3 dB

衰减点,fc是
3 dB截止频率,fs是20 dB截止频率.需要说明的
是,由于传统开环谐振器最大衰减量S21max并未达到
20 dB,所以,我们采用最大衰减量αmin=14. 4 dB计
算.新型的带通滤波器仿真及测试结果S参数如图
5所示.由表1及图5显示,在中心频率1. 80 GHz
频率点, 3 dB通带从1. 76到1. 85 GHz, 3 dB相对带
宽5%,带内波纹小于0. 1 dB.相比传统的开口谐振
滤波器结构,通带中心从2. 56 GHz下降到了1. 80
GHz,即相当于尺寸减小了接近30%.该结构在3. 1
GHz处出现传输零点,因此具有很好的频率选择性.
阻带内具有更大的衰减量,阻带特性很好, 20 dB阻
带带宽从2. 0 GHz一直延续到3. 5 GHz.在仿真的
基础上对滤波器进行了加工测量.滤波器实物图如
图6所示.用矢量网络分析(Agilent8722ES)对滤波
器进行测量(图5),其中[S]表示仿真结果, [M]表
示测量结果.可以看到,测量结果与仿真结果较好地
吻合.测量结果显示带内插损比仿真结果偏高,这是
由于介质板本身的损耗不均匀性以及加工误差
所致.
3　结　论
我们提出了3种有别于传统开环谐振器的新型
谐振器, 3种新型谐振器都能达到降低尺寸的目的,
并使用其中一种谐振器设计了一个带宽5%,带内
波纹小于0. 1 dB,具有很好的频率选择性、较大阻
带衰减量及很好的阻带特性的带通滤波器.与传统
图5　设计滤波器的仿真及测试S参数图
Fig. 5　Simulated and m easured of the filter responses
图6　滤波器实物图
Fig. 6　Fabricated filter
的开环谐振滤波器相比,我们设计的滤波器通带中
心从2. 56 GHz下降到了1. 80 GHz,即相当于尺寸
减小了30%.为了验证结构仿真结果,对滤波器进
行了实物加工及测量,电磁仿真及实物测量较好地
吻合.该滤波器尺寸小、加工容易、成本低廉,符合平
面结构微波电路与器件的应用需求.
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238 上海大学学报(自然科学版)第14卷　的结果也能迅速显示.经过较长时间的运行,系统未
发生故障.说明系统具有较好的鲁棒性、可扩展性、
灵活性和可靠性,达到了预定设计目的.
4　结束语

为了适应网络的发展,我们设计并实现了一套
采用主从工作方式构成多机通信的总线形结构的远
程控制系统,从而实现了对各个被控设备的集中控
制和管理.系统采用了分级的总线型拓扑结构、简单
有效的通信协议、可靠的传输方案和人性化的操作
界面设计,提高了鲁棒性、可扩展性和灵活性.该系
统为远程控制提供了一个切实有效的解决方案.
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