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基于加载非对称开路枝节谐振器的带通滤波器

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第3 5卷第1期 压电与声光 VoI_35 NO.1 2013年O2月 PIEZOEI ECTRICS&ACOUST00PTICS Feb.2013 文章编号:1004—2474(2013)O1—0090~04 基于加载非对称开路枝节谐振器的带通滤波器 田 丽 ,刘国高 ,胡万清 (1。河海大学计算机与信息学院,江苏常州213022;2.河海大学江苏省输配电装备技术重点实验室,江苏常州213022) 摘要:基于新型的加载非对称开路枝节的阶梯阻抗谐振器,设计了一种具有高频率选择性的单频微带滤波 器。该滤波器采用非对称的开路枝节作为容性负载,抑制高次杂散频率,具有较宽的上阻带,中心频率(2.4 GHz) 处的插入损耗为0.6 dB。与传统结构相比,该滤波器在相同的谐振频率下尺寸减小了45 。调整新型阶梯阻抗 谐振器的尺寸,还能实现中心频率为3.5 GHz单频和2.4 GHz/3.5 GHz双频带通滤波器。 关键词:带通滤波器;阶梯阻抗谐振器;非对称开路枝节;谐波抑制;小型化 中图分类号:TN713 文献标识码:A Bandpass Filter Based on Asymmetric Open Stub_loaded Resonators TIAN Li ,LIU Guogao 。HU Wanqing (1.College of Computer and Information,Hohai University,Changzhou 213022,China; 2.Jiangsu Key I ab.of Power Transmission and Distribution Equipment Technology,Hohai University,Changzhou 213022,China) Abstract:A novel microstrip bandpass filter using stepped impedance resonators(SIRs)with asymmetric open stub—loaded is presented in this paper.The proposed filter which operates at 2.4 GHz with low insertion loss of 0.6 dB uses asymmetric open stubs as capacitive loads,resulting in higher-order spurious frequencies suppression and wider upper stopband.Compared with the traditionaI filter based on stepped impedance resonators at the same resonant frequency,the proposed filter can significantly reduce the circuit size of 45 .By changing the geometric di— mensions of the asymmetric open stub—loaded SIRs,which can achieve single-band bandpass filter at the centre fre— quency of 3.5 GHz and dual—band bandpass filter at the centre frequency of 2.4 GHz/3.5 GHz. Key words:bandpass filter;stepped impedance resonators(SIRs);asymmetric open stub—loaded;harmonics sup— pression;miniaturization 0 引言 的小型化。 随着无线通信技术的快速发展,高频率选择性, 传统混合耦合带通滤波器,通常由结构对称的 宽阻带,小型化等特性已成为衡量微波滤波器的重 阶梯阻抗谐振器构成。由于微波电路的频率响应特 要指标。通过在滤波器的通带外引入传输零点,进 性,造成滤波器通带衰减边缘不陡峭,带外抑制能力 行谐波抑制,可改善滤波器的频率选择性,提高滤波 差。另外阶梯阻抗谐振器阶跃处的不连续性,使由 器的带外抑制能力I1 3]。常用的产生传输零点的方 高次杂散频率产生的通带内插入损耗较大,且高次 法有源一负载耦合滤波器_l ],在谐振器内加载开路/ 杂散频率和基本谐振频率间存在的倍数关系,使带 短路枝节f3 和Ma Zhewang提出的频率变换法 J 通滤波器的其他通带设计不灵活 。]。为解决传统 等。文献[1—2]中的滤波器通过输入/输出馈线间缝 混合耦合带通滤波器带外抑制能力差等问题,本文 隙的弱耦合作用产生传输零点,但输入/输出馈线间 提出一种新型的二阶混合耦合带通滤波器。通过采 缝隙的调整范围有限,传输零点的产生难以控制。 用新型的开环结构和非对称的开路枝节,在新型混 文献[3]在不改变谐振器外部结构的情况下,在谐振 合耦合带通滤波器的通带两侧引入传输零点,抑制 器内部加载开路枝节作为容性负载,使滤波器产生 高次杂散频率,获得了中心频率位于2.4 GHz性能 传输零点,提高了滤波器的阻带特性,有利于滤波器 良好的通带。调整新型阶梯阻抗谐振器的尺寸,还 收稿日期:201 2-01¨ 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60972101/F010401) 作者简介:田丽(1988一),女,河北大城人,硕士生,主要从事微波器件的研究。E-mail:tianliwenxin123@sina.corn。刘国高(1962一),男,安 徽马鞍山人,副教授,主要从事信息获取与处理、固体微结构的研究。E—mail:lguogao@sohu.corn。 92 应 第1期 田丽等:基于加载非对称开路枝节谐振器的带通滤波器 中心频率逐渐减小,通带内的回波损耗逐渐增大。 调节L 的长度对通带两侧传输零点的位置基本无 影响,传输零点随中心频率一起偏移。这种新型的 混合耦合带通滤波器,传输零点距离通带的位置很 近,通带衰减边缘陡峭。 基于加载非对称开路枝节的阶梯阻抗谐振器, 改变该谐振器的尺寸,还可以实现中心频率为 3。5 GHz单频带通滤波器,应用于全球微波互联接 人系统(wiMAX)。滤波器的结构仍如图1(a)所 示,滤波器的具体 尺寸为:L =20 mm,L 一 5.2 mm,L3—4.05 mm,L4—0.6 mm,L5—3 mm, L6一1.2 mill,L7—1.2 mm,W1—0.8 mm,W2— 0.4 mm,W3一1.2 mm,S1—0.6 mm,S2—1.6 mm, S。一0.8mm,S 一0.2 1Tim。介质基板的介电常数和 厚度与前面的设计相同。该滤波器的频率响应如图 10所示。由图可知,滤波器在中心频率3.5 GHz处 的插入损耗为0.9 dB,上阻带带宽达到6.0 GHz, 具有很高的频率选择性。 '‘}SIl 要 /’ . / 魁 /。 j孽 .图1O 中心频率为3.5 GHz的滤波器频率响应 将以上两组加载非对称开路枝节的谐振器组合 起来,联合共享输入/输出端口,可实现中心频率为 2.4 GHz/3.5 GHz双频带通滤波器,如图11所示。 位于输入/输出馈线下的一组谐振器工作于滤波器 的第1个通带(2.4 OHz),插入损耗为0.7 dB。位 于输入/输出馈线上的一组谐振器工作于滤波器的 【=l=; I 】 爵 端 频率 (a)滤波器结构 Co)滤波器频率响应 图11双频带通滤波器 第2个通带(3.5 GHz),插入损耗为0.9 dB。该滤 波器的频率响应中具有4个传输零点,具有很好的 通带特性。 3 结束语 本文采用新型的加载非对称开路枝节的阶梯阻 抗谐振器,设计了一个中心频率为2.4 GHz的小尺 寸微波单频带通滤波器。在阶梯阻抗谐振环开口处 加载的非对称开路枝节作为容性负载,加强了谐振 器的内部耦合作用,抑制了高次杂散频率。进一步 调整加载非对称开路枝节谐振器的尺寸,还实现了 中心频率为3.5 GHz单频和2.4 GHz/3.5 GHz双 频带通滤波器。电磁仿真软件(Ensemble)的仿真 结果显示,该滤波器具有较宽的上阻带,通带内插入 损耗较低,具有很高的频率选择性。该滤波器基于 无线局域网WLAN标准和WiMAX标准设计,应 用前景广泛。 参考文献: [1] ZHANG Xiaochuan,Yu Zhiyuan,XU Jun.Design of mic rostrip dual—mode filters based on source-load COU— piing[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2008,18(10):677—679. [23 MA K X,MA J G,DO M A,et a1.Compact two~order bandpass filter with three finite zero points[J].Elec— tronics Letters,2005,41(15):846—848. [3]ZHANG X Y,CHEN J X,SHI J,et a1.High—selectivity dual-band bandpass filter using asymmetric stepped impedance resonators[J].Electronics Letters,2009,45 (1):63—64. [43 MA Zhewang,KOBAYASHI Y.Design and realization of bandpass filters using composite resonators tO obtain transmission zeros[c]//European:Microwave Confer— ence,2005. [53 HUNG Weiwu,RU Yuanyang.A new quad-band band— pass filter using asymmetric stepped impedance resona— tors[-J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2011,21(4):203—205. [6]HUANG T H,CHEN H J,CHANG C S,et a1.A novel compact ring dual-mode filter with adjustable second- passband for dual-band applications[J].IEEE Micro— wave and Wireless Components Letters,2006,16(6): 360—362. [73 田树林.基片集成波导和带隙结构的带通滤波器[J]. 重庆理工大学学报:自然科学版,2010(6):52—55. (下转第97页) 第1期 胡博等:用于光刻投影物镜微调的压电陶瓷 3.4静态电压纹波分析 驱动电源采用了运算放大器OPA2227和PA88组 在设计压电陶瓷驱动电源时,需尽可能减小纹 成复合式反馈放大电路。利用软件对设计的电路进 波,因为纹波对电源的精度会有很大的影响,这里对 行仿真,可为实际设计时元件的选择和参数的确定 静态电压纹波进行分析。在输入端接入直流电源, 提供帮助,缩短了设计周期,降低了设计成本,增强 输出端用示波器观测波形,分别从0~12 V依次输 了设计的可靠性。根据仿真结果,该电源最大非线 入,可看到输出端的交流纹波在±100 nV间波动, 性误差为0.000 5 ,静态纹波小(±100 nV),具有 且纹波随着输入电压的增大而增大,根据纹波的波 良好的动态性能,满足驱动压电陶瓷实现投影物镜 动范围可知该驱动电源的静态电压纹波很小。 镜片微调的要求。 3.5稳定性分析 参考文献: 用输入方波来测试电源的稳定性,给输入端接 [1]姚汉民,胡松,邢廷文.光学投影曝光微纳加工技术 入脉冲信号,初始值设为一0.05 V,终止值设为 [M].北京:北京工业大学出版社,2006:17—18. 0.05 V,脉冲宽度为0.5 ms,上升沿和下降沿的时 [2]王帆,王向朝,马明英,等.光刻机投影物镜像差的现场 间为1 ms。对输出进行瞬态分析,可得到峰一峰值 测量技术[J].激光与光电子学进展,2004,41(6):33— 约为1 V的方波如图9所示。在脉冲信号上升到高 37. 电平阶段和下降到低电平阶段的过程中会出现短时 [3]杨雪峰,李威,王禹桥.基于FPGA的压电陶瓷驱动电 间的抖动,但抖动时间对稳定性影响很小,故该驱动 源设计FJ].微计算机信 fi,,2008,24(I1):109—112. 电源具有良好的稳定性。 [4]杨雪峰,李威,王禹桥.压电陶瓷驱动电源的研究现状 及进展[J].仪表技术与传感器,2008,11:109—112. [5]曹青松,李小辉.一种高精度动态压电陶瓷驱动电源的 詈研究[J].电源技术,2009,25(4):183—185. 脚 一 [6]张新喜,许军,王新忠,等.Muhisiml0电路仿真及应用 [M-I.北京:机械工业出版社,2010:188—194. 时同/ms 图9 电源的脉冲信号响应曲线 [7]周亮,姚英学,张宏志.低波纹度快速响应压电陶瓷驱 4 结束语 动电源的研制[J].压电与声光,2000,22(4):237—239. ZHOU Liang,YAO Yingxue,ZHANG Hongzhi.De— 光刻投影物镜的像差大小对光刻图形曝光质量 velopment of a PZT power supply with low output rip— 有着重要的影响,可通过对镜片高精度微调达到减 pie and quick response[J].Piezoelectrics&Acous— 小像差改善成像质量的目的。本文设计的压电陶瓷 tooptics,2000,22(4):237—239. (上接第93页) ters,2005,15(6):4O1-403. [8]LIU Yu,YANG Tao,YANG Ziqiang,et a1.Novel Min— [1O]REINHOLD L,PAVEL B.RF circuit design:theory iaturized four-section SIR fiher[C]//Guilin:IEEE In— and applications[M].Beijing:Publishing House of E— ternational Symposium on Microwave,Antenna,Propa— lectronics Industry,2002:136—137. gation and EMC Technologies for Wireless Communi— El1] CHU Qingxin,WANG Huan.A compact open-loop cation,2009:313-315. filter with mixed electric and magnetic coupling[J]. [9] ZHANG Hualiang,KEVIN J C.A tri-section stepped- IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech— impedance resonator for cross—coupled bandpass filters [J].IEEE Microwave and Wireless Components Let— niques,2008,56(2):431-439. 

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