应用于北斗L、S频点的新型双频滤波器设计_马振洋.pdf
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1、第 43卷 第 1期2023年 2月Vol.43,No.1Feb.,2023固体电子学研究与进展RESEARCH&PROGRESS OF SSE应用于北斗 L、S频点的新型双频滤波器设计马振洋 史超翰 史春蕾(中国民航大学安全科学与工程学院,天津,300300)20220617收稿,20220829收改稿摘要:提出了一种应用于北斗短报文波段(即 L和 S频点)的背靠背 E形双频滤波器设计。该滤波器由两对公共馈电的背靠背E形谐振器并联组成,上方为背靠背E形的微带阶跃阻抗谐振器,下方为背靠背E形的缺陷阶跃阻抗谐振器。通过等效阻抗分析、表面电流仿真、参数优化得到滤波器的结构,滤波器尺寸为 34 mm
2、21 mm0.762 mm。实测结果表明,该滤波器的两个中心频点分别为 1.62 GHz和 2.53 GHz,相对带宽分别为 8%和 3%,带内插入损耗均小于2.2 dB,回波损耗均大于11.8 dB,相邻通带间的隔离度大于15 dB。测试结果与仿真结果基本吻合。关键词:枝节加载;双频;北斗导航系统;带通滤波器;阶跃阻抗谐振器中图分类号:TN713 文献标识码:A 文章编号:10003819(2023)01004605Design of a New Dualband Filter for Beidou L and S Frequency BandMA Zhenyang SHI Chaohan
3、SHI Chunlei(College of Safety Science and Engineering,Civil Aviation University of China,Tianjin,300300,CHN)Abstract:A backtoback Eshaped dualband filter design for BDS L and S bands was proposed.The filter consisted of two pairs of commonfed backtoback Eshaped resonators in parallel,with a backtoba
4、ck Eshaped microstrip SIR resonator on the top and a backtoback Eshaped defective SIR resonator on the bottom.The structure of the filter was obtained through equivalent impedance analysis,surface current simulation and parameter optimization.The size of actual filter is 34 mm21 mm0.762 mm.The measu
5、red results show that the two center frequencies of the filter are 1.62 GHz and 2.53 GHz,the relative bandwidths are 8%and 3%,the inband insertion loss is less than 2.2 dB,the inband return loss is greater than 11.8 dB,and the isolation between passbands is greater than 15 dB.The test results are ba
6、sically consistent with the simulation results.Key words:stub loaded;dualband;Beidou navigation system;bandpass filter;stepped impedance resonator引 言随着北斗导航系统的大规模应用,其射频收发信机对滤波器的设计要求日益提高。滤波器不仅要滤除噪声信号,还要工作在多波段以满足不同的业务需求。对于工作在北斗频点的滤波器,单频设计较为常见,包括声表面滤波器、薄膜腔声谐振滤波器、有源滤波器等13,其性能卓越;多频设计则包括数字滤波器和声表面滤波器等,其性能良好
7、但设射频微波与太赫兹基金项目:航空科学基金资助项目(20182667009)联系作者:Email:DOI:10.19623/ki.rpsse.2023.01.0051期马振洋等:应用于北斗 L、S频点的新型双频滤波器设计计相对复杂,更多应用于多导航系统的多模接收机前端46。同时,由于微带滤波器具有体积小、重量轻、设计方法成熟等特点,应用于北斗频点的双频乃至多频微带滤波器的设计越来越受到重视。目前国内外设计微带双频滤波器的方法很多,包括使用多模谐振器、多谐振器的级联嵌套、枝节加载结构、缺陷地面结构等713。其中,多模谐振器在单模谐振器中实现了多个模式,其设计难度较高,但能够有效减小滤波器的体积;
8、级联和嵌套则是实现高性能、多频点滤波的常用方法;枝节加载结构较为常见,因其设计灵活、所得滤波器的结构简单,但其电路尺寸往往较大;缺陷地面结构的原理较复杂,其优点是缺陷单元的结构可以决定谐振频率,有效利用金属地层有利于滤波器的小型化设计。短报文是北斗导航系统的特色功能,其使用场景很广泛。为满足服务于北斗短报文业务的滤波器的应用需求,本文提出了一种新型的双频微带滤波器结构,采用一对背靠背 E 形微带阶跃阻抗谐振器(Stepped impedance resonator,SIR)与一对背靠背 E 形缺陷阶跃阻抗谐振器并联实现双通带,使用源与负载耦合的公共馈电枝节,减小了滤波器的体积。最后加工并测试了
9、所设计的滤波器,其结构简单、性能较好,可用于北斗导航系统的 L、S 频点滤波。1 滤波器的设计与分析 提出的双频带通滤波器由多模谐振器和公共馈线组成。多模谐振器包含一对背靠背 E形的微带阶跃阻抗谐振器和一对背靠背 E形的缺陷阶跃阻抗谐振器,其余部分为馈线。图 1 为双背靠背 E 形滤波器的结构图,图中的li代表微带线或槽线的长度,wi代表微带线或槽线的宽度,si代表间距。1.1 背靠背 E形微带 SIR滤波器背靠背 E 形的微带阶跃阻抗谐振器单元如图 2所示,串联等效电路结构如图 3 所示。令1、Y1,2、Y2,3、Y3分 别 代 表 长 度、宽 度 分 别 为l1、w1,l2、w2,l3、w
10、3的微带线对应的电长度和特性导纳。根据传输线基本理论,将谐振器视为级联结构,可得到其输入导纳和谐振条件分别如式(1)(2)和式(3)(4)所示:Y=jY2Y1(Y1tan 1+Y3tan 3)+Y2tan 2(Y1-Y3tan 1tan 3)Y2(Y1-Y3tan 1tan 3)-Y12tan 1tan 2-Y1Y3tan 2tan 3(1)Y2=Y3(2)Im(Y)=0(3)Y12tan 1+Y1Y2(tan 2+tan 3)-Y22tan 1tan 2tan 3=0(4)由谐振条件解得导纳比和电长度的关系,并求得谐振频率为 2.50 GHz。同时,使用 HFSS 仿真滤波器在 2.50 G
11、Hz 下的表面电流分布(见图 4),可以发现表面电流集中分布在两个微带 SIR 结构的中端,而其余部分电流密度较小,说明其对第二通带的中心频率(f2)处的谐振有贡献。图 1 双背靠背 E形滤波器的结构图Fig.1 Structure of double backtoback Eshaped filter图 3 串联等效电路结构Fig.3 Series equivalent circuit structure图 2 背靠背 E形微带 SIR谐振器单元Fig.2 Backtoback Eshaped microstrip SIR unit图 4 2.50 GHz下谐振器的表面电流分布Fig.4 S
12、urface current distribution of resonator at 2.50 GHz47固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 http:GTDZ43卷1.2 背靠背 E形缺陷谐 SIR滤波器背靠背E形的缺陷阶跃阻抗谐振器单元如图5所示,串联等效电路结构如图 6所示。令4、Y4代表长度、宽度分别为l4、w4的槽线对应的电长度和特性导纳,5、Y5代表长度、宽度分别为l5、w5的槽线对应的电长度和特性导纳;6、Y6代表长度、宽度分别为l6、w6的槽线对应的电长度和特性导纳;7、Y7代表长度、宽度分别为l7、w7的槽线对应的电长度和特性导纳。根据传输线基本理论,将谐振器视作级联结
13、构,可得到其输入导纳和谐振条件分别如式(5)(8)和式(9)所示:Yin_1=jY4Y4tan 4+Y7tan 7Y4-Y7tan 4tan 7(5)Yin_2=Y5Yin_1+jY5tan 5Y5+jYin_1tan5(6)Yin_3=Y4Yin_2+jY4tan 4Y4+jYin_2tan4(7)Yin=Y6Yin_3+jY6tan 6Y6+jYin_3tan6(8)Im(Y)=0(9)由谐振条件解得导纳比和电长度的关系,并求得谐振频率为 1.60 GHz。同时,使用 HFSS 仿真滤波器在 1.60 GHz 下的表面电流分布(见图 7),可以发现表面电流集中分布在两个缺陷 SIR 结构的
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