SIR带通滤波器教程

第三章具有两个传输零点的六阶SIR耦合谐振带通滤波器3.1引言对于微波带通滤波器，由于分布参数的传输线段频率响应的周期性，使得在离开中心频率f0的主通带一定距离处出现了寄生通带[1]。距离主通带最近的寄生通带，一般会出现在2f0或3f0处，这种频率点处的寄生通带对于谐波输出是不利的。阶梯阻抗谐振器（steppedimpedanceresonators，SIR）结构通过调节耦合线段与非耦合线段的阻抗比，可以控制寄生通带出现的位置，从而更好的解决了谐波抑制问题，同时，SIR结构采用不同特性阻抗的传输线组成，在增加设计自由度的同时，极大程度上减小了滤波器的尺寸。2012年，上海大学的马德臣等人设计出一种新颖的双频带带通滤波器，该滤波器由2个折叠型SIR构成，通过奇偶模分析，得到所要的中心频带2.4GHz和5.2GHz，在第一通带的回波损耗优于20dB，插入损耗小于0.2dB，且3dB相对带宽为6.3%；第二通带的回波损耗优于20dB，插入损耗小于0.5dB，且3dB相对带宽为3.4%，器件的整体尺寸为24mm×30mm[2]。2014年，山西大学的梁学亮等人利用弯折双频谐振器的高阻抗部分微带线的方式，引入额外的结构参数，使得双频谐振器间的耦合结构和馈电位置在两个频段上具有相同的结构参数，进一步缩小体积，实现小型化双频滤波器的设计，该滤波器工作频率为2.4GHz和5.2GHz，回波损耗优于20dB，插入损耗小于1dB，相对带宽为20%，器件的整体尺寸仅为6mm×15mm[3]。2015年，贵州大学的雷涛等对经典的二分之一波长的SIR结构进行弯折，采用变形的阶梯阻抗谐振器，引入高阻抗之间的交叉耦合，在滤波器的上下阻带各产生两个传输零点，具有典型的准椭圆函数响应特性，滤波器的相对带宽为47.3%，带内最小插入损耗为0.74dB，袋内回波损耗优于15dB，器件的整体尺寸为12.35mm×9.65mm[4]。2016年，上海大学的王焕英等人提出一种新型中心频率可调谐的双频带通滤波器，该滤波器工作于2GHz和4.2GHz两个频段，通过调节谐振器末端加载的变容二极管以改变谐振器的电长度，达到可调的效果，中心频率可调范围分别为1.97~2.2GHz和4.15~4.3GHz，器件的整体尺寸为20.9mm×24mm[5]。随着通信电子技术的发展，各类通信设备对小型化的要求越来越高，传统的PCB板技术由于技术上的局限性，已经无法满足这种小型化的需求，近年不断发展的低温共烧陶瓷（LTCC）技术能够充分利用三维空间，在基板内埋置多层各个种类的无源和有源器件，具有集成度高、尺寸小、射频性能优良等特点，得到广泛的研究与应用[6]。2008年，中国工程物理研究院的陈鹏等人提出了一种小型多层低温共烧陶瓷三级带通滤波器的结构，采用SIR作为谐振单元，各谐振级位于两个平面，采用旋转对称结构，极大地减小了器件体积，并在输入输出之间跨接电容的方式，在滤波器的通带左侧引入传输零点，改善滤波器的带外抑制性能[7]。2010年，电子科技大学的张鹏等人设计制作了一种新型SIR结构的LTCC带通滤波器，通过面间耦合的方式解决面边耦合容值不够的问题，并在上下两层添加对称的金属面实现连接带状线的电容和对地的电容，该滤波器的中心频率为2.46GHz，3dB带宽为2.28-2.71GHz，带外抑制大于25dB，外观尺寸为3.2mm×1.61mm×1.03mm[8]。2013年，中国矿业大学的周丽等提出一种基于LTCC技术的折叠型SIR双通带带通滤波器，利用折叠线型SIR谐振器结构减小结构尺寸，并通过调节SIR的阻抗比和长度调节两中心的频率，该滤波器能够在5.2GHz和6.5GHz工作，插入损耗均小于2dB[9]。2015年，昆明理工大学的朱友杰等人设计出一款应用于北斗导航系统的LTCC带通滤波器。该滤波器采用SIR结构，中心频率为1561MHz，带宽为250MHz，通带内插入损耗小于2.5dB，带外抑制在GSM的900MHz频段大于50dB，在GSM的1800MHz频段大于30dB，在WIFI频段优于30dB，尺寸仅为4.5mm×3.2mm×1.6mm[10]。2016年，昆明理工大学的郭绪跃等人研制出一种具有两个传输零点的六阶SIR耦合谐振带通滤波器，在1，6阶引入反馈电容实现交叉耦合，改善了滤波器的带外抑制性能，并对滤波器的陶瓷介质材料厚度、金属微带线宽度、金属微带线厚度等工艺可调参数进行了容差分析；该滤波器中心频率为3250MHz，带宽为300MHz，带内插损小于3dB，电压驻波比小于1.3，整体尺寸为6.8mm×4.2mm×1.5mm[11]。3.2SIR交叉耦合谐振带通滤波器基本理论3.2.1SIR耦合谐振基本原理如图2.1所示，1/4波长SIR谐振器由两段不同特性阻抗的传输线组成，对于一段电长度为θ，特性阻抗为Z0的端接负载的无耗传输线，它的输入阻抗为：0in00tanZtanLLZjZZZjZ（3-1）所以从面S’看去，输入阻抗为Zins’=jZ1tanθ1，同理它的输入阻抗为:112222112tantantantaninjZjZZZZZ（3-2）作为一个并联谐振器，它的谐振条件为Yin=0，从而得到它的谐振条件为:2112tantan0ZZ（3-3）也就是tanθ1tanθ2=Rz，其中Rz=Z2/Z1，从上式可知，对于SIR来说，它存在三个自由度θ1，θ2和Rz，相对于只有长度和特性阻抗两个自由度传统的1/4波长谐振器来说，SIR的设计有更大的空间。1Z12Z2inYS'S图2.11/4波长SIR谐振器3.2.2SIR谐振耦合系数分析对于带通滤波器的设计来说，除了对单个谐振器进行分析以外，另一个重要的内容就是两个谐振器之间耦合，谐振器之间耦合系数的大小将影响滤波器的带宽，而外部端口的耦合主要影响带内驻波。两个谐振器之间的耦合系数可由公式（3-4）表示：2222121222221212()()xffkff（3-4）其中f1，f2代表电壁谐振频率或磁壁谐振频率，可以利用软件的本征模求解器得到f1和f2。3.2.3SIR输出耦合分析滤波器的输入输出耦合设计是SIR谐振滤波器设计过程中必不可少的环节，其输入输出可采用容性或感性耦合，但是这样都将增加设计元件数量，而采用抽头式输出将简化设计，同时通过调节抽头位置可以调节外部耦合，在后期调式时也相对容易。由于SIR由高低阻抗两段传输线组成，所以抽头的位置可分为抽头位于高阻抗线部分和抽头位于低阻抗线部分两种情况，如下图2.2所示1Z12Z23inY1Z12Z23inY图2.2SIR的输出耦合结构情况一：抽头位于高阻抗线部分。设外部端口的阻抗为Z0，端口采用特性阻抗为Z0的传输线引出。那么从抽头位置看到的输入阻抗有两部分并联组成，一部分是特性阻抗为Z1电长度为θ1的短路线，另一部分是特性阻抗为Z1电长度为θ3的传输线串联一段特性阻抗为Z2电长度为θ2的开路线。在谐振点处的外部品质因数：1121232tan(tantan)eRQZZZZ（3-5）对于已经设计好的谐振器，那么Z1、Z2、θ2以及θ1+θ3都已经固定，只有θ1或θ3可以单独变化。当θ1增大时，θ3减小，所以tanθ1增大，tanθ3减小，即分子减小；对于分母，tanθ3减小将使分母增大，所以总的来说θ1的增大将使Qe的值降低，也就是说随着抽头位置远离接地端，Qe将减小。情况二：抽头位于低阻抗线部分同样在谐振点处抽头位置与外部品质因数的关系，可以推导得到：1122(tantan)eRQZZ（3-6）当Z1、Z2、θ1以及θ2+θ3都已经固定时，当θ2增大时，tanθ2增大，分母将增大，所以总的来说随着θ2增大，Qe将降低。3.3滤波器的设计与仿真本章所介绍的滤波器的设计实例为具有两个传输零点的六阶SIR耦合谐振带通滤波器，该滤波器采用LTCC工艺，利用HFSS软件进行建模仿真，该带通滤波器由六个1/4波长SIR谐振器和一个“工”型反馈层构成，可以通过调节谐振器的中心频率及耦合间距，控制带通滤波器的中心频率及带宽，通过反馈层调节控制传输零点的位置。该滤波器的中心频率为3.25GHz，带宽300MHz，带内损耗2.5dB，在2.71~2.86GHz频段内，抑制优于32dB，在3.64~4.38GHz频段内，抑制抑制优于40dB。3.3.1三维模型的建立1设计的相关设置（1）启动HFSS15软件，初始界面为软件默认新建的一个名为“Project1”的工程文件可右键点击工程文件名“Project1”执行菜单命令【Rename】，将工程文件名称进行重命名，如图3.1所示。图3.1：重命名工程文件（2）点击菜单栏中的新建设计图标，在工程文件“Project1”中新建一个设计文件，系统默认名称为“HFSSDesign1”。可右键点击名称重新命名。其工程界面如图3.2所示。图3.2：HFSS的工程界面（3）执行菜单命令【Modeler】【Units】，在打开的“SetModelUnits”对话框中，将系统默认的模型尺寸单位设置为“mm”，然后单击【OK】按钮，完成单位设置，如图3.3所示。图3.3：模型尺寸单位设置（4）求解模式设置。执行菜单命令【HFSS】【SolutionType】，弹出如图3.4所示对话框，选择“modal”驱动模式，单击【OK】按钮，完成求解模式设置。图3.4：求解模式设置（5）为了方便对所画模型进行属性设置，需要对【ModelerOptions】中的相关选项进行勾选，执行菜单命令【Tools】【Options】【ModelerOptions】，在打开的“ModelerOptions”对话框中，选择“Drawing”标签，在标签页中勾选“Editpropertiesofnewpri”选项，如图3.5所示。在勾选了此选项后，每添加一个新的模型，都会自动弹出新模型属性对话框，对模型的材料，尺寸等进行快速的设置。图3.5：模型属性窗口弹出设置2滤波器三维模型的建立（1）空气盒子的建立。单击图标，在工作区右下角的坐标栏中分别输入模型的起点坐标，点击回车键【Enter】确认，再一次输入增量坐标，点击回车键【Enter】，弹出如图3.6所示的模型属性对话框。图3.6：模型属性对话框对话框中的“Command”标签页为盒子的尺寸和坐标属性，可在此处对盒子的坐标尺寸进行赋值或作相应的更改，所以我们还可以采用另一种方法进行盒子的建立，单击图标，拉动鼠标在工作区点击三个点画出盒子模型，在弹出的如图所示的模型属性对话框中，选择“Command”标签页，在“Position”的“Value”栏设置盒子的起点坐标（-20，-20，-15），并在“XSize”、“YSize”、“ZSize”相应的“Value”栏输入增量坐标“40”、“40”、“30”，如图3.7所示。图3.7：“Command”标签页赋值“Attribute”标签页为盒子的材料、颜色、透明度等属性，可对盒子的材料，颜色，透明度作相应的设置。选择，“Attribute”标签页，如图3.8所示，单击“Material”的“Value”值“vacuum”，在下拉菜单中选择“Edit”选项，弹出如图3.9所示的盒子材料属性设置对话框。图3.8：“Attribute”标签页图3.9：材料属性设置对话框在材料属性对话框中选择盒子的属性为“air”，单击【确定】按钮，返回如图3.8所示的对话框，单击【确定】按钮，完成空气盒子的建立，如图3.10所示。点击按键【Ctrl】+【D】可调整建立的模型使之适应整个工作区，之后不再赘述。图3.10：空气盒子选中建立的空气盒子，单击图标，隐藏该模型，以方便对后面模型的建立和操作。（2）LTCC介质盒子的建立。由于介质盒子的尺寸可能会在滤波器的调试过程中产生变化，同时为了方便调试和优化以及适应不同的器件尺寸标准，我们在介质盒子的建立过程中，常常引入设计变量表示盒子的尺寸。选取变量L，W，H分别