奂锐++罗杰

摘 要： 对传统双频段耦合方案进行改进，提出一种新型双通带滤波器结构。该滤波器由两个对称阶跃阻抗谐振器（SIRs）组成，通过调节SIR的电长度，可以得到中心频率可调的通带。为了验证设计与分析的正确性，提出和设计了3个双通带滤波器。Ⅰ型滤波器两个通带的中心频率分别为2.4 GHz和3.5 GHz，相对带宽分别为5.8%和13.7%；Ⅱ型滤波器两个通带的中心频率分别为3.5 GHz和5.2 GHz，相对带宽分别为5.7%和9.2%；Ⅲ型滤波器两个通带的中心频率分别为2.4 GHz和5.2 GHz，相对带宽分别为6.3%和5.4%。Ⅰ型和Ⅱ型滤波器均适用于宽带互通微波互联接入（WiMAX）和无线局域网（WLAN）应用。Ⅲ型滤波器适用于双频WLAN应用。对所有滤波器进行加工与实测，测试结果与仿真结果吻合较好。

关键词： 双频带； 带通滤波器； 阶跃阻抗谐振器； 中心频率可调通带； WiMAX&WLAN

中图分类号： TN713?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）17?0080?04

Miniaturization dual?passband filter with adjustable SIR applied in WLAN & WiMAX

HUAN Rui， LUO Jie

（Institute of Electromagnetic Field and Microwave， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract： A new structure of dual?passband filter is proposed by improving the traditional dual?band coupling scheme. The filter is composed of two symmetrical stepped impedance resonators （SIRs）. The passband with adjustable center?frequency is obtained by adjusting the electrical length of SIR. To verify the validity of design and analysis， three dual?passband filters have been proposed and designed. The center frequencies of two passbands of filter Ⅰ are 2.4 GHz and 3.5 GHz respectively， and the relative bandwidth are 5.8% and 13.7% respectively. The center frequencies of two passbands of filter Ⅱ are 3.5 GHz and 5.2 GHz respectively， and the relative bandwidth are 5.7% and 9.2% respectively. The center frequencies of two passbands of filter Ⅲ are 2.4 GHz and 5.2 GHz， and the relative bandwidth are 6.3% and 5.4% respectively. Filter Ⅰ and filter Ⅱ are suitable for the applications of worldwide interoperability for microwave access （WiMAX） and wireless local area networks （WLAN）. Filter Ⅲ is suitable for the application of dual?band WLAN. All filters were produced and tested. The testing performances show that the test results are identical with simulation results.

Keywords： dual?band； band?pass filter； stepped impedance resonator； adjustable center?frequency passband； WiMAX & WLAN

0 引 言

近年来，拥有良好通带特性的高性能双通带滤波器越来越受到关注。与此同时，许多研究人员对应用于无线通信中采用不同SIR结构的双通带微带带通滤波器有着浓厚的兴趣，尤其是应用于宽带互通微波互联接入（WiMAX）和无线局域网（WLAN）（IEEE?802.11 a/b/g）的类型[1]。

本文通过改进传统双频段耦合方案，提出了一种新型简单的双带通滤波器结构。滤波器由两个对称的阶跃阻抗谐振器（SIRs）构成，通过调整SIR的电长度，就可以得到中心频率可调的通带。最后，所有滤波器进行加工实测，测试的通带中心频率包含了用于WLAN和WiMAX的2.4 GHz，3.5 GHz和5.2 GHz频段，且测试结果与仿真结果吻合较好。

1 双通带滤波器的分析

图1给出了传统的均匀谐振器和本文SIR结构的比较。本文提出的滤波器结构由两个对称阶跃阻抗谐振器（SIRs）组成，该谐振器的半波长微带结构如图2（a）所示，作为比较，其基本结构如图2（b）所示。

图2（b）中，中间段电长度（2θ1）较长，阻抗（2Z1）较低；另外，两端电长度（θ2）相对较短，阻抗比较高，其阻抗比[2]可以定义为[K=Z2Z1=Y1Y2>1，]θT>π。从开口端看过去的导纳[3][Yin]为：

[Yin=jY2?2（Ktanθ1+tanθ2）?（K-tanθ1?tanθ2）K（1-tan2θ1）?（1-tan2θ2）-2（1+K2）?tanθ1?tanθ2] （1）

谐振条件为：

[Yin=0] （2）

由式（1），式（2）可以将基本谐振条件表示为：

[K=tanθ1?tanθ2] （3）

实际运用中，优先选择[θ1=θ2=θ，]因为可以大幅度简化设计方程，于是式（1）可以表示为：

[Yin=jY2?2（1+K）?（K-tan2θ）?tanθK-2（1+K+K2）?tan2θ+tan4θ] （4）

选定基频[fm1]以及相应的电长度[θ1，]可得谐振条件为：

[tan2θ1=K 或 θ1=arctanK] （5）

选择寄生谐振频率[fm2]以及对应的电长度[θ2，][θ3，]可以由式（2）和式（4）得到：

[tanθ2=∞] （6）

然后得到：

[fm2fm1=θ2θ1=π2arctanK] （7）

由式（7）可以明显看出寄生响应可由特性阻抗比[K]控制。所以通过调节电长度[θ1]和[θ2]的大小，改变[K=Z2Z1]得到想要的通带。

最后，得到如图3（a）所示的滤波器结构设计版图，图3（b），图3（c）和图3（d）三幅图片为制作加工的滤波器实物，其通带中心频率分别为2.4 GHz/3.5 GHz，3.5 GHz/5.2 GHz和2.4 GHz/5.2 GHz。调节电长度[θ1，][θ2]和[θ3，]即调节[L1，][L2，][L3]的长度，可以得到适用于WLAN以及WiMAX中心频率可调的通带。

在图4中，给出了不同[L1，][L2]和[L3]长度的双通带滤波器的弱耦合分析。当固定[L2]和[L3]的长度时，改变[L1]的长度，发现第一通带和第二通带发生明显的移动，且第二通带比第一通带移动得更快。[L2，][L3]也有同样的情况，因此可以改变[L1，][L2，][L3]的长度或者其他参数实现通带中心频率的可调性。

2 仿真和测量结果

基于有限元法的3D电磁仿真软件对本文所提出的双通带滤波器结构进行了仿真。通过仿真和优化，得到了良好的滤波性能，滤波器的结构尺寸如表1所示。

滤波器的测试使用的是安捷伦E5071C网络分析仪，图5（a）所示为Ⅰ型滤波器的测试图，频率范围从0.01～5 GHz。图5（b）给出了Ⅰ型滤波器的测试结果与仿真结果的比较。测试结果中两个通带的中心频率分别为2.4 GHz和3.5 GHz，且两个通带的3 dB带宽分别为2.31～2.45 GHz 和3.29～3.77 GHz，3 dB相对带宽分别为5.8%和13.7%。在通带中，最小插入损耗分别为1.8 dB和0.9 dB，最小回波损耗分别为18 dB和20 dB，TZ1，TZ2，TZ3和TZ4 分别代表传输零点，表明阻带与通带的隔离，分别为50 dB，56 dB，54 dB，33 dB。很明显，测试结果与理论仿真结果吻合良好。

图6（a）所示为Ⅱ型滤波器的测试图，频率范围为0.01～7 GHz。图6（b）给出了Ⅱ型滤波器的测试结果与仿真结果的比较。测试结果中两个通带的中心频率分别为3.5 GHz和5.2 GHz，且两个通带的3 dB带宽分别为3.39～3.59 GHz和4.98～5.46 GHz，3 dB相对带宽分别为5.7%和9.2%。在通带中，最小插入损耗分别为1.9 dB和1.3 dB，最小回波损耗分别为28 dB和29 dB，TZ1，TZ2，TZ3和 TZ4 分别代表传输零点，表明阻带与通带的隔离分别为58 dB，50 dB，69 dB，37 dB。很明显，测试结果与理论仿真结果吻合良好。

图7（a）所示为Ⅲ型滤波器的测试图，频率范围为0.01～7 GHz。图7（b）给出了Ⅲ型滤波器的测试结果与仿真结果的比较。测试结果中两个通带的中心频率分别为2.4 GHz和5.2 GHz，且两个通带的3 dB带宽分别为2.32～2.47 GHz 和5.04～5.32 GHz，3 dB相对带宽分别为6.3%和5.4%。在通带中，最小插入损耗分别为1.5 dB和2.3 dB，最小回波损耗分别为22 dB和25 dB，TZ1，TZ2，TZ3和 TZ4 分别代表传输零点，表明阻带与通带的隔离分别为70 dB，51 dB，59 dB，32 dB。很明显，测试结果与理论仿真结果吻合良好。

为了与之前的调研相比较，总结了一些双通带滤波器性能特性，如表2所示。在表2中，[f1，][f2]分别代表第一和第二通带的中心频率；IL1，IL2分别代表第一和第二通带的最小插入损耗；RL1，RL2分别代表第一和第二通带的最小回波损耗；API为相邻通带隔离度；[λg]为第一通带中心频率的导波波长。

从表2中可以得到，本文所提出的三种双频带滤波器在某种程度上比先前的滤波器性能更好，例如插入损耗，回波损耗和相邻通带隔离度。此外，尽管使用了相对介电常数较低的基板，滤波器的尺寸也相对较小。

3 结 论

本文通过对称阶跃阻抗谐振器（SIRs）实现滤波器双通带性能。通过调节SIRs的电长度，可以得到中心频率可调的通带。最后，加工制作了3个滤波器，通带中心频率分别为2.4 GHz/3.5 GHz，3.5 GHz/5.2 GHz和2.4 GHz/5.2 GHz，适用于WLAN和WiMAX频段，且测试结果与理论仿真结果吻合良好。结果表明，该类型滤波器不仅在插入损耗、回波损耗、相邻通带隔离度上具有优势，而且有着小型的尺寸。由于结构简单，体积小，而且有着良好的通带性能，本文提出的滤波器在无线通信领域有着一定的工程应用价值。

参考文献

[1] 胡昌海，熊祥正，吴彦良.应用于WLAN/WiMAX的新型双模双通带微带滤波器[J].现代电子技术，2013，36（23）：74?77.

[2] MAKIMOTO M， YAMASHITA S. Microwave resonators and filters for wireless communication： theory， design and application [M]. Berlin： Springer， 2001.

[3] 胡昌海，熊祥正，吴彦良.小型化宽阻带微带带通滤波器的设计[J].现代电子技术，2013，36（19）：80?82.

[4] CHEN W Y， WENG M H， CHANG S J， et al. A high selecti?vity dual?band filter using ring?like SIR with embedded coupled open stubs resonators [J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications， 2011， 25（14/15）： 2011?2021.

[5] WEI F， CHEN L， SHI X W. Compact dual?mode dual?band bandpass filter with wide stopband [J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications， 2012， 26（11/12）： 1441?1447.

[6] TANG C W， LU H X， TSENG C T. Design of a dual?band bandpass filter with a wide stopband [J]. Electronics Letters， 2013， 49（10）.

[7] MASHHADI M， KOMJANI N. Design of dual?band bandpass filter with improved upper stopband using novel stepped?impe?dance resonator [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2014， 56（3）： 603?606.

[8] MA X L， LUO Y L， YUAN S L， et al. Design of a miniatu?rized dual?band bandpass filter with high selectivity [J]. Progress In Electromagnetics Research C， 2014， 50（2）： 165?170.