作者：Qingqing Ye，中国科学院微电子研究所、中国科学院大学；Lijun Zhang，中国科学院微电子研究所

注：本文由DeepL翻译并经人工粗审，如有疑问可查阅原文或联系编辑

摘要：为5G应用设计了一个三频微带式带通滤波器。它使用了多模阶梯式阻抗谐振器（MSIR）和开环环形谐振器（OLRR）。通过控制MSIR的阻抗比和电长度，较高的谐振模式被抑制在带外。蜿蜒的OLRR在第二通带的上部和下部产生两个额外的传输零点，在通带之间提供良好的隔离。高性能的通带响应被证明并具有小尺寸和低插入损耗。实测结果显示与仿真结果有很好的一致性。

随着现代无线通信系统的快速发展，多频段滤波器已经成为多功能5G应用的一个关键电路元件。在设计具有低损耗和高选择性的多波段滤波器方面已经做了很多工作。^1-3

有几种方法。在Tsai和Hsue⁴的工作中，一个带通滤波器（BPF）和一个阻带滤波器被级联起来以实现一个双频BPF。然而，这导致了大的电路尺寸，并且还需要额外的外部匹配网络。使用OLRR和短截线加载OLRR^5,6是一种简单而有效的多频段滤波器设计方法。不幸的是，高阶模式很容易被激发。阶梯式阻抗谐振器（SIR）的特点是可以方便地控制高阶模式，^7-9 也是典型的方法，但通带之间的隔离性差和复杂是主要缺点。

在本项工作中，基于一种简单而有效的方法，设计了一个新型的三频微带BPF。该滤波器包括两条开口微带线，一对MSIR和两对OLRR（见图1）。MSIR调整高阶模式和高阶上止带。蜿蜒的OLRR，通过两个额外的传输零点，提供更大的裙边选择性。

图1 三波段滤波器原理布局。

谐振器分析

Hong¹⁰已经分析了OLRR和蜿蜒OLRR，因此，这里只对MSIR进行理论上的回顾。图2a显示了MSIR的结构。由于其对称性，可以使用偶数模式分析。图2b是偶数模式的等效电路，图2c是奇数模式的等效电路。

图2 MSIR结构（a），偶数模式等效电路（b）和奇数模式等效电路（c）。

偶数和奇数模式的输入导纳可以用公式（1）和（5）表示。

下面公式里，l、l₁₂、l₃、l₄和l₅是阻抗为z₁、z₂、z₃、z₄和z₅的每个短截线的长度。短截线的相应电长度为θ₁=βl₁₁、θ₂=βl₂₂、θ₃=βl₃₃、θ₄=βl₄₄和θ₅=βl₅₅。阻抗比k₁=z/z₂₁、k₂=z/z₃₁。MSIR的谐振条件是当输入导纳等于零时，即Y^e=Y^o=0。那么：

如图3所示，第一偶数模式（f¹_even）和第一奇数模式（f¹_odd）的谐振频率可以通过改变阻抗比k₁来调整。阻抗比k₂主要影响第二偶数模式（f²_even）。图4显示，f¹_even和f²_even也分别取决于l₃和l₅的长度。然后可以通过适当选择这些参数来确定谐振器。

图3 工作频率与阻抗比k₁（a）和k₂（b）的关系。

图4 工作频率与长度l₃（a）和l₅（b）的关系。

三波段BPF设计

基于MSIR的理论，设计了以2.4、4和5.6GHz为中心的三频BPF（见图1）。它包括两条开口馈线，一对MSIR和两对OLRR。MSIR决定了第一通带中心频率、分数带宽和选择性。选择的参数是：k₁=0.75、k₂=0.3、l₁=7.6mm、l₂=3.93mm、l₃=3.6mm、l₄=3.24mm、l₅=0.1mm、w₁=0.195mm、w₂=0.4mm、dw₃=1.8mm。

OLRR是传统的半波长谐振器，决定了第二和第三通带响应。不同的是，用于第二通带的OLRR是蜿蜒的。在第一和第二以及第二和第三通带之间会产生两个额外的传输零点。这改善了通带隔离和选择性。

带宽取决于耦合系数和外部质量因素。也就是说，s₁、s₂、d₁和d₂影响带宽；s₁=0.4、s₂=0.6、d₁=0.1、d₂=0.2mm。在第一个工作频率2.4GHz时，开口馈线的长度L约为半波长，阻抗为50Ω。这里L=30，w=0.5mm。

图5显示了在2.4、4和5.6GHz时馈线的电流分布。谐振器被放置在强磁耦合的最大电流分布的位置。

图5 开放式馈电线路的电流分布。

滤波器是在相对介电常数为9.6、介电高度为0.5毫米的衬底上制作的。滤波器的整体尺寸为30×9毫米。

结果和讨论

三频BPF（见图6）使用ADS Momentum进行仿真，并使用Keysight 8719ES网络分析仪进行测量（见图7）。测量结果显示与仿真结果有很好的一致性。通带以2.4、4和5.6GHz为中心，3dB带宽分别为5.9%、44%和22.4%，插入损耗小于1.1、0.8和0.1dB。传输零点的位置在2.72、3.2、3.68、4.35、4.8和6.6GHz，提供大于35dB的抑制。

图6 三波段BPF照片。

图7 三波段BPF仿真和测量。

表1将这一性能与其他工作进行了比较，显示该滤波器包含了最多的传输零点和通带之间的最佳隔离。

结论

一种新型的三频BPF结合了MSIR和OLRR。适当的阻抗比和MSIR的电长度实现了一个宽的上止带。蜿蜒的OLRR在第二通带的上部和下部产生了两个额外的传输零点，从而改善了带对带的抑制。低成本的三频BPF只有30×9毫米²，工作频率为2.4、4和5.6GHz。每个频段的插入损耗都小于1.1dB，带对带的抑制优于35dB。高选择性、小尺寸和低插入损耗使其在5G应用中具有吸引力。

参考文献

1.          B. Ren, Z. Ma, H. Liu, X. Guan, P. Wen and M. Ohira, “Compact Multi-Band Differential Bandpass Filters Using Microstrip Multi-Mode Resonators,” IEEE MTT-S International Wireless Symposium, May 2019.

2.          V. N. Rahangdale and J. Sengupta, “Stub-Loaded Resonators Application in Ultra Compact Multi-Band Bandpass Filter,” 9th International Conference on Computing, Communication and Networking Technologies, July 2018.

3.          H. Liu, R. Wang, C. Lai, H. Li and Z. Zuo, “A Compact Quint-Band Bandpass Filter with High Selectivity Using Uniform Impedance Resonators,” IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications, July 2020.

4.          L. -C. Tsai and C. -W. Hsue, “Dual-Band Bandpass Filters Using Equal-Length Coupled-Serial-Shunted Lines and Z-Transform Technique,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 52, No. 4, April 2004, pp. 1111–1117.