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一种基于结构的微带带通滤波器的设计与分析外文翻译资料

 2022-09-24 10:09  

英语原文共 5 页,剩余内容已隐藏,支付完成后下载完整资料


一种基于结构的微带带通滤波器的设计与分析

摘要

本文提出了一种通过采用基于缺陷接地结构技术(DGS)的双模式谐振器制作的中心频率是2.6GHz的微带带通滤波器。双模式耦合谐振器结合DGS结构来实现谐振频率和滤波器的尺寸。CST微波工作室通过优化衰减性能来得到滤波器的参数。然后一种基于结构的带通滤波器随之被制作出来。滤波器的仿真数据和测量数据是一致的。最后的结果表明,该滤波器可适用于时分长期(TD-LTE)的2.6 GHz的微波系统。

关键词:带通滤波器,双模谐振器,DGS结构

1 引言

通带滤波器是微波收发信机的重要组成部分。随着电子技术和计算机技术的飞速发展,无线通信系统通常要求小型设备满足移动设备的小型化要求。LTE网络在世界范围内已经被商用。对于TD-LTE在中国的使用,它正式发布了2.6 GHz的国际移动通信(IMT)频率规划,采用时分双工的TD-LTE分配带宽为190 MHz的频率资源(TDD)技术,为TD-LTE分配了190 MHz带宽的频率资源。应用2.6 GHz的现代滤波器小型化的目标正在迫近。因此,研究和设计在这个带宽的微波器件是有必要的。

微波滤波器作为滤波器的一种,在移动通信中有着广泛的应用。在射频端有源电路中输入输出各级之间普遍存在,各滤波器都有不同的功能和特性要求。如(图1-1)所示,为典型的发射机接受机原理框图模型,滤波器在该系统中各位置起着举足轻重的作用[5]。接受端带通滤波器的必要功能是避免由于发射端输出信号泄漏而使接收器前端饱和;除去如镜频一类的干扰信号;减少来自天线端的本机振荡器的功率泄漏。所以接收端带通滤波器的最佳性能包括衰减以除去干扰,同时减少将直接影响接收端灵敏度的通带插损。发射端带通滤波器的基本功能是从发射端减少杂散辐射功率以避免对其他无线通信系统的干扰,这些无用的信号的主要成分是发射信号频率的二、三次谐波和本级振荡。另一个重要的功能是衰减掉发射信号中接受频段内的噪声,抑制它到接收机的灵敏度之下。因此,发射端带通滤波器必须保持一个宽的阻带以抑制杂散信号,同时能维持低的通带插损和在输出端处理大电平信号。

双模式谐振器成为提出为滤波器实现小型化的各种方法中最有效的手段之一,但是它很少朝向2.6GHz。近年来,Memarian等人通过使用简单的圆筒谐振器引入了一种中心频率在2.5GHz的四模介质谐振滤波器。Saxena等人设计了一种利用E型双模谐振器平行微带线与开路短截线逆变器带阻滤波器。

Zahari等人证明了频率在1GHz的可重构双模环形谐振腔相匹配的带阻滤波器。阿卜杜勒拉赫曼等人提出了中心频率在2.4GHz的一个小规模的二阶带通耦合谐振腔滤波器的谐振器组成的缺陷接地结构(DGS)。孙等人描述了一类用于超宽带(UWB)传输系统的多模式谐振器的带通滤波器。Konpang等人提出了一种双频滤波器耦合馈电对称阶梯基于微带开环谐振器的阻抗谐振器。艾哈迈德等人提出了一种基于环形谐振腔的光学滤波器设计方法。周等人提出了一种基于声波耦合谐振滤波器的GSM900/DCS1800双频滤波器。Mourot等人提出了基于宽带码分多址(W-CDMA)的应用体声波耦合谐振器滤波器(BAW CRF)的双工器的设计方法。切比雪夫微带滤波器的盒状的耦合方案在文献[ 11 ]有介绍。关等人在2.26GHz频率出提出了一种双模DGS谐振器和带通滤波器。一般来说,上面介绍的滤波器通常采用有损谐振器的拓扑结构,而这种滤波器的缺点是它们的大尺寸,因为使用二阶谐振腔产生无限衰减。在这篇文章中,一个新的小型化带通滤波器构造了基于双模谐振器和DGS技术,具有结构紧凑,在2.6 GHz的TD-LTE频率匹配。它也表明,模拟和测量结果吻合。

2 基于结构的带通滤波器的介绍

2.1原理分析

基于结构的带通滤波器是基于双模谐振器两非退化模式。因为两者之间没有耦合的谐振模式,它等于并联连接两个谐振器之间的输入和输出端口。因此,它是一二阶横向谐振器滤波器,所有这种类型的过滤器可以通过充分规范的耦合矩阵理论分析。使用非退化模式的双模谐振器的典型的带通滤波器的拓扑图如图2.1所示。

图2.1 双模谐振器拓扑图

在图2.1中,S和L分别代表源和负载,O,E代表奇数和偶数的谐振模式。,和代表两个谐振模式的耦合系数在输入和输出两端。基于这种拓扑结构,耦合矩阵可以表示为式(2.1)。

(2.1)

含有奇数偶模的谐振器具有对称结构。耦合系数在输入输出端是相等的,而相位则相反。

当它工作在均匀模式,耦合系数和相位的输入和输出端口是相同的,即。当这种谐振器工作在奇数谐振模式,耦合强度与外部装置结构,一般来说,总是大于偶数谐振模式,所以然后相关于奇模谐振频率和偶模谐振频率的双模谐振器。

(2.2)

(2.3)

其中分别是滤波器的中心频率和带宽。因为两阶横向谐振滤波器采用双模式谐振器的两个谐振模式作为两个并联谐振器,所以我们能得到或者。根据式(2.2)、(2.3),定义为一正一副。

2.2 结构的带通滤波器的设计

耦合微带线结构滤波器的设计上应用广泛,,在连接部分的一般选择lambda;/ 4传输线。在实践中,多级耦合通常是用来组成滤波器,但这将导致尺寸过大。由于DGS结构带来的带阻特性,因此耦合共振和DGS结构结合在一起可以做一个带通滤波器。为了在2.6GHz实现带通滤波器,根据参考文献[ 12 ]的结构,其原理图如图2.2所示。

图2.2 滤波器设计结构图

如图2.2所示,黑色部分是送料线,灰色部分为金属平面,白色部分为DGS结构。在设计中,采用CST软件模拟和优化过滤器的性能得到滤波器参数。在这个模型中,使用的介电材料是GX聚四氟亚甲基(GX-PTFE)介电常数=2.55,并采用一根内阻为50Omega;的微带线。经过计算和优化后,基板板的厚度选择为0.8毫米,滤波器的其他结构参数如表2.1。

表2.1 滤波器尺寸/mm

2.3通带滤波器的仿真和测试结果

2.3.1滤波器的仿真结果

设计滤波器参数的仿真结果如图2.3所示。

图2.3 设计滤波器的参数结果

从图3我们可以清楚地看到,在minus;3 dB处的频率fc = 2.45 GHz,在2.6 GHz处的衰减是-0.38 dB。中心频率=2.6GHz,相关带宽=6.7%,回波损耗=16dB,其中有一个在f=2.81GHz处的衰减极点。

通过数值优化算法,滤波器的耦合矩阵是:

(2.4)

这种类型的滤波器有一个特点:存在一个内生的传输零点,它可以极大地提高该滤波器的带外抑制特性,并提高过滤器的选择性。归一化频率低通原型中传输零点和耦合系数的表达式为:

(2.5)

当,传输零点位于高端阻带;,传输零点位于低端阻带。根据式(2.4),这种内生性的传输零点将导致以下结论。当传输零点总是位于有限的频率内,即内源性零点是一正一负的。同时改变两个符号它会从带阻的高端传到低端,反之亦然。当时,我们会得到>0,传输零点位于阻带的高端;当时,我们会得到<0,传输零点位于阻带的低端。根据公式(2.4)和(2.5)我们能够得到更加直观的公式:

(2.6)

从公式(2.6)中我们可以知道,无论是正是负,公式(2.6)的结果都会是正的。即传输零点位置和共振奇数模式的频率是在同一个侧面。

2.3.2制作和测量

为了测试过滤器的有效性,布局基于结构的滤波器通过Protel软件进行。布局如图2.4。

图2.4 滤波器Protel布局

所制造的滤波器的物理图像,该材料基板的GX-PTFE,该滤波器的宽度是2.5cm,如图2.5所示。

图2.5 滤波器的物理图像

图2.6为模拟和测试结果物理过滤,其中虚线表示S11的仿真结果,全行显示S11的测试结果。星线显示S21的仿真结果,并圆点虚线显示S21的测试结果。从结果中我们可以看到,在通带内,回波损耗是13dB,衰减极点是在2.78GHz。

图2.6 滤波器测试结果

从图2.6中我们可以看出,仿真结果和测试结果基本趋于一致,但仍有一点点的变化和偏移。对于S11,它的仿真结果和测量结果出现偏差的原因是因为在实际材料中的介质损耗,测试精度和阻抗失配对sub-minature-A焊接(SMA)接头。

在研究过程中,需要注意以下几点

1)仿真工具的计算原理(CST)这里使用的是一种基于有限元法的方法,因此,只有在端口上的适当的网格号才能得到精确仿真结果。对于优化,只有当网格号是合适的时候才可以达到的偏移量要求。

2)由于该过滤器适用于实际通信网络,介电材料的选择是非常重要的,不同材质可获得不同精度。

3 结论

在这篇文章中,双模式耦合滤波器的结构结构是用来设计和构建的带通滤波器。本文设计了一种新型的微带滤波器制备结合耦合振荡器和DGS结构技术。通带中心频率在2.6GHz,滤波器的相关带宽是=6.7%,回波损耗=16dB。而这个过滤器的宽度只有2.5厘米,它可以满足现代滤波器的小型化目标。测试结果是几乎相同的模拟显示。

致谢

这项工作得到了国家自然科学的支持中国基金会(61202399)。

参考文献

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