具有多传输极点的枝节加载双通带宽带滤波器.pdf

叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期随着无线通信技术的不断发展与完善袁 传统的窄带通信系统面临着前所未有的考验遥在此背景下袁宽带与超宽带滤波器对频段之间的兼容和带外信号的抑制起着至关重要的作用遥 进一步地袁为了提高频谱的利用率尧将多个系统统一并简化袁多通带的滤波器成为近年来的热点研究方向袁受到学者们的广泛关注遥为了适应新的应用需求袁 人们提出了各种设计双通带宽带滤波器的方法遥 较为传统的方法是将两个通带位置不同的单通带滤波器级联组合为一体咱1暂袁但是这种方法设计的滤波器往往尺寸较大遥 为了将尺寸尽可能减小袁 可以使用阶跃阻抗谐振器渊SIRs冤产生的杂散响应来创建第二通带咱2-5暂遥 文献咱6暂提出一种采用横向滤波结构实现宽阻带的双通带滤波器曰文献咱7暂研究了能增强滤波器频率选择性的方法袁 做法是在端口耦合线节点处添加两个开路枝节遥 文献咱6原7暂中的滤波器不能减小带内插损袁损失了一定的性能遥本文研究了一种具有多传输极点的多枝节双通带宽带滤波器袁八个传输极点均匀分布袁形成两个通带遥员宽带滤波器的设计员.1 奇偶模分析如图 1 所示是该滤波器的理论电路结构图袁 主体部分由特征阻抗分别为 Z1尧Z3尧Z4的三对微带线组成袁 在此基础上加载了 3 对开路枝节和一对短路枝节遥 所有微带传输线的电长度均为=仔2袁而输入与输出端口的特征阻抗 Z0=50 赘遥由于该双通带滤波器是关于中间轴对称的结构袁因此可以利用奇偶模分析法对图员 中的结构进行分析遥 图 2 显示了此结构的奇模和偶模的等效电路遥奇模情况下袁将中间面等效为电壁袁 即看作短路面袁如图 2a 所示遥 假设从 Z1尧Z2尧Z6看进去的输入阻抗分别为Zin1尧Zin2尧Zin3袁该十字微带线连接点处为 Zin4袁 从 Z3端尧Z7端尧Z3与 Z7连接处尧Z4端尧Z5端看入的输入阻抗分别为 Zin5尧Zin6尧Zin7尧Zin8尧Zin9遥 其奇模输入阻抗 Zino可以表示为院Zino=Zin8Zin9Zin8+Zin9渊1冤其中院Zin1=jZ1tan渊 冤渊2冤Zin2=Z2jtan渊 冤渊3冤Zin3=Z6jtan渊 冤渊4冤Zin4=Zin1Zin2Zin3Zin1Zin2+Zin1Zin3+Zin2Zin3渊5冤Zin5=Z3Zin4+jZ3tan渊 冤Z3+jZin4tan渊 冤渊6冤Zin6=Z7jtan渊 冤渊7冤具有多传输极点的枝节加载双通带宽带滤波器肖寅川李国辉蒋琦天张静谢世濠渊上海大学通信与信息工程学院袁上海 200444冤Compact Dual-Wideband Bandpass Filter with Multiple Transmission PolesBased on Several Stubs摘要院为了实现频谱资源的最大化使用以及保证现代射频系统的高速通信袁多通带的射频器件以及宽带系统成为未来的无线通信发展趋势遥 设计了一个基于平面微带线的双通带宽带滤波器袁 该滤波器由七对特征阻抗各不相同的微带线组成袁其中包含多对开路尧短路枝节遥 通过奇偶模等效方法对其进行零极点分析后袁该滤波器具有 8 个传输极点袁均匀地分布在两个通带内袁测量的两个通带相对带宽分别为 102%和 20%袁两个通带的中心频率频比达到了 4.7遥 此外袁首个通带内的回波损耗大于 20 dB袁第二个通带内的回波损耗则优于 15 dB袁实验测量结果与仿真结果吻合良好遥关键词院滤波器曰双通带曰宽带曰极点Abstract:In order to maximize the use of spectrum resources and ensure the high-speed communication of modern ra鄄dio frequency systems,multi-passband radio frequency devices and broadband systems become the future trend of wirelesscommunication.A dual-wideband filter based on planar microstrip lines is designed in this paper.The filter consists of sevenpairs of microstrip lines with different characteristic impedances,including several pairs of open circuit and short circuit stubs.Analyzed by odd-even mode method,the filter has 8 transmission poles evenly distributed in two passbands.The fractionalbandwidth of the two passbands measured are 102%and 20%respectively.The center frequency ratio of the two passbandsreaches 4.7.In addition,the return loss in the first passband is greater than 20 dB,and the return loss in the second pass鄄band is better than 15 dB.The experimental measurement results are in good agreement with the simulation results.Keywords:filter,dual-band,wideband,poles图 1双通带滤波器理论结构图 2奇模和偶模等效电路43具有多传输极点的枝节加载双通带宽带滤波器Zin7=Zin5Zin6Zin5+Zin6渊8冤Zin8=Z4Zin7+jZ4tan渊 冤Z4+jZin7tan渊 冤渊9冤Zin9=jZ5tan渊 冤渊10冤偶模情况下袁将中间面等效为磁壁袁即看作开路面袁如图 2b所示遥 其偶模输入阻抗 Zine可以表示为院Zine=Zin8Zin9Zin8+Zin9渊11冤Zin8和 Zin9等表达式与式渊3冤耀渊10冤相同袁但由于开路的特性袁Zin1应改为院Zin1=Z1jtan渊 冤渊12冤得到奇模和偶模的输入阻抗后袁 可以得到该双通带滤波器的 S 参数咱8暂院S11=S22=ZineZino-Z02渊Zine+Z0冤渊Zino+Z0冤渊13冤S21=S12=渊Zine-Zino冤Z0渊Zine+Z0冤渊Zino+Z0冤渊14冤1.2 传输极点尧零点分析当|S11|=0袁出现传输极点袁使用 MATLAB 进行数学运算袁可以得到一个 8 次方程袁解此方程将出现 8 个关于的解袁对应滤波器的 8 个极点遥 这 8 个极点的频率位置由下式决定院fpn=仔/2f0渊15冤如图 3 所示袁是当某参数变化袁且其他参数确定时袁传输极点的归一化频率位置随该参数的变化曲线遥 图 3a 和图 3b 展示了参数 Z2变化时极点的归一化频率变化情况袁 图 猿a 是第一个通带的四个极点袁而图 猿b 是第二个通带中的四个极点遥 从图中可以看出袁当 Z2变大时袁第一个通带中第一尧四个极点向高频移动袁第二个极点向低频移动袁而第三个极点的位置变化较小曰第二个通带中第一尧 四个极点向低频移动袁 第三个极点向低频移动袁第二个极点的位置变化较小遥 因此袁若 Z2的值太大袁则容易造成极点相邻过近或过远遥为了使得在各自通带内袁极点分布相对均匀袁可以将 Z2设置在 120 赘 附近袁此时两个通带内极点分布合理遥同理袁Z缘在本滤波器结构中和 Z2一样袁是加载的开路枝节袁对极点的影响类似袁所以也可取 120 赘 左右遥图 3通带极点随Z2和Z缘变化情况图 3c 和图 3d 展示了参数 Z缘渊即滤波器中的短路枝节冤变化时极点的归一化频率变化情况遥 Z缘增大时袁1尧4 两个极点频率位置向高处移动袁2尧3 两个极点则向低处移动袁这与第二个通带的情况正好相反遥 此外袁当 Z缘小于 130 赘 或大于 190 赘 时袁原本一个通带内的 4 个极点将退化成 3 个遥为了确定滤波器传输零点的位置袁可以令院S21=0渊16冤在工作频段内袁 此方程可以得到三个解院1=0袁2=仔2袁3=仔袁通过式渊15冤可知袁对应中心频率为 f1=0袁f2=f0袁f3=2f0遥 所以袁该滤波器的零点位置和各参数的取值无关袁必定会在零频率尧中心频率尧二倍中心频率处出现三个零点遥通过调节尧优化后袁确定的各微带线特征阻抗为院Z1=112 赘袁Z2=116 赘袁Z3=127 赘袁Z4=33赘袁Z5=160 赘袁Z6=111 赘袁Z7=154 赘遥2宽带滤波器的仿真与测试根据以上理论袁 设计了一款如图 4 所示的双通带宽带滤波器遥 该滤波器的各项尺寸均由理论所得到的特征阻抗值计算而来遥由于理论和仿真的差异性袁还需在电磁仿真软件中进一步优化袁 最终优化后的关键尺寸如表 1 中所列出遥 该滤波器设计在Rogers5880 材料的基板上袁介电常数=2.2袁损耗角 0.000 9袁基板厚度为 0.8 mm袁 中心频率 f0选择 6 GHz遥 滤波器尺寸为40.8 mm伊30 mm遥图 4滤波器版图结构和实物图表 1滤波器主要尺寸仿真与测试的 S11与 S21结果如图 5a 和图 缘b 所示袁由 S 参数对比可以发现袁第一个通带吻合度很高袁而第二个通带由于所处频段位置较高且考虑到加工以及环境仪器误差袁 产生小幅度的偏移袁具体表现为回波损耗变小袁带宽变小遥 滤波器第一个通带回波损耗优于 20 dB袁第二个通带优于 14.5 dB袁两个通带相对带宽分别为 102%和 20%袁频比达到较高的 4.7袁第一个通带内插入损耗小于 0.2 dB袁而第二通带小于 1.6 dB遥 因此该滤波器展现出了较好的带内回波损耗尧插入损耗性能以及高的频比遥图 5S11尧S21仿真与实测对比3结束语本文提出了一种新型的双通带宽带滤波器袁该结构由特征渊下转第 46 页冤44基于 Modbus 协议的三菱 PLC 与 E700 变频器通信实例渊上接第 44 页冤阻抗各不相同的 7 对微带线组成遥 基于多枝节加载的微带线结构袁在两个通带内共产生了 8 个极点袁在阻带内产生了 3 个零点曰通过奇偶模分析理论得出极点尧零点出现的位置袁以及如何通过调节参数来控制极点分布曰最后通过仿真与实测验证理论的正确性遥 所设计的滤波器具有宽的通带尧较好的通带性能以及较紧凑的结构袁可以在各类射频前端宽带系统中袁用于代替两个单通滤波器袁在 2 GHz 和 9.4 GHz 两个频段同时进行选频遥参考文献咱1暂CHU-YU CHEN,CHENG-YING HSU.A simple and effectivemethod for microstrip dual-band filters designJ.IEEE Mi鄄crowaveandWirelessComponentsLetters,2006,16(5):246-248咱2暂J-T KUO,E SHIH.Microstrip stepped impedance resonatorbandpass filter with an extended optimal rejection bandwidthJ.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2003,51(5):1554-1559咱3暂S-F CHANG,Y-H JENG,J-L CHEN.Dual-band step-impedance bandpass filter for multimode wireless LANs J.Electronics Letters,2004,40(1):38-39咱4暂Y P ZHANG,M SUN.Dual-Band Microstrip Bandpass FilterUsing Stepped-Impedance Resonators With New CouplingSchemesJ.IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques,2006,54(10):3779-3785咱5暂M-H WENG,H-W WU,Y-K SU.Compact and Low LossDual-BandBandpassFilterUsingPseudo-InterdigitalStepped Impedance Resonators for WLANsJ.IEEE Microwaveand Wireless Components Letters,2007,17(3):187-189咱6暂L-T WANG,Y XIONG,L GONG,et al.Design of dual-bandbandpassfilterwithmultipletransmissionzerosusingtransversal signal interaction conceptsJ.IEEE microwave andwireless components letters:A publication of the IEEE Mi鄄crowave Theory and Techniques Society,2019,29(1):32-34咱7暂R GOMEZ-GARCIA,L YANG,J-M MUNOZ-FERRERAS,et al.Selectivity-enhancement technique for stepped-impedance-resonator dual-passband filtersJ.IEEE microwave and wire鄄less components letters:A publication of the IEEE MicrowaveTheory and Techniques Society,2019,29(7):453-455咱8暂HONG J S,LANCASTER M J.Microstrip filters for RF/mi鄄crowave applications M.New York:Wiley,2001咱收稿日期院圆园圆猿原园员原园缘暂位遥 设定成 7 位时袁有可能破坏数据遥 本例中袁设定为 7 位时袁通讯失败遥4E700 变频器数据 Modbus 地址的查询三菱 E700 变频器预先在保持寄存区域 渊寄存器地址40001耀49999冤中对各变频器的数据进行了分类遥 通过访问被分配的保持寄存器地址袁 主设备 PLC 可以与作为从设备的变频器进行通讯遥在程序编写中使用的地址要减去 40001遥计算公式为院寄存器地址越保持寄存器地址渊10 进制数冤-40001例如袁本例中要用到变频器状态辕控制尧运行频率等 5 个寄存器袁查叶三菱通用变频器 FR-E700 使用手册曳袁寄存器参数如表 员 所示院表 员寄存器参数变频器状态辕控制输入命令寄存器地址 40009-40001=8袁十六进制为 H08曰运行频率寄存器地址为 40014-40001=13袁十六进制为 H0D曰以此类推袁得输出频率尧输出电压尧输出电流的寄存器地址分为院40201尧40202尧40203袁程序中对应的十进制地址应该为 200尧201尧202袁十六进制为院H0C8尧H0C9尧H0CA遥5程序设计FX3U 的程序设计如图 源遥 H6 为 Modbus 通讯协议的功能码袁功能是向保持寄存器的数据写入遥ADPRW 是 PLC 的功能指令遥 程序先把 K3000 赋值给 D20袁然后把 D20 中的数据向 1 号从站的变频器地址为 H0D 的保持寄存器写入袁使 E700 变频器以频率 30 匀扎 运行袁运0渊或者用 运1冤代表每次写入一个数据遥特殊辅助继电器 M8029 在 ADPRW 指令执行结束后置为ON遥M1尧M2尧M3 分别可以控制 E700 变频器的正转尧反转尧停止遥程序最后袁H3 为 Modbus 通讯协议的功能码袁 功能是保持寄存器的数据读出遥ADPRW 是 PLC 的功能指令袁此条指令是把1 号从站的变频器首地址为 H0C8 的连续三个保持寄存器数据渊输出频率尧输出电压尧输出电流冤读出袁K3 代表连续读出三个数据遥 读出的数据分别送到以 D100 为首地址的连续三个数据寄存器遥 即 D100 保存了运行频率袁D101 保存了实时电压袁D102保存了电流数值遥6结束语本例的输出频率尧 输出电压尧 输出电流数值可以在人机界面要要要触摸屏实时显示袁通过在实验室的调试袁达到预期效果遥本例为以 FX3U 系列 PLC 为主站的工业互联网的组建打下基础袁具有一定的实用价值遥参考文献咱1暂宋云艳袁段向军.工业现场网络通信技术应用咱M暂.北京院机械工业出版社袁2016咱2暂王振华.工业自动化技术实训指导咱M暂.北京院机械工业出版社袁2013咱收稿日期院圆园圆猿原园员原员源暂图 4程序设计46