雙頻帶通濾波器架構與設計

之訊號會在 B 點形成開路電路(Z_B= ∞)，如此高頻訊號與低頻訊號便能 分開，因此就可以設計出高頻濾波器所需要的匹配電路，而高頻濾波 器的外部品質因素將可以獨立的萃取出來，高頻訊號也不會受到θ₄、θ₅ 以及 θ₆所影響，因此本雙頻濾波器，其兩個頻帶的外部品質因素皆能 獨立設計，相對頻寬也能分開設計。

圖 3-1 基本分支線共振器的輸入與輸出結構

3-2 三階柴比雪夫雙頻濾波器設計流程

為0.1-dB equal ripple，n=3、g0=1、 g1=1.0316、g2=1.1474、g3=1.0316、

表3-1 低通原型濾波器元件值

08

共振器之間的間距，使其能符合各項耦合係數。表3-2，標示出了本基 本共振器在一開始所設計的參數，分別在低頻與高頻之下各段傳輸線 所對應的電氣長度與特性阻抗。圖 3-4 所示，為三階柴比雪夫雙頻濾 波器的耦合路徑圖，其中灰色虛線為低頻訊號耦合路徑，黑色實線為 高頻濾波器訊號耦合路徑，圖 3-5 標示出高頻濾波器由深灰色所標示 部分R₁^H、R₂^H與R₃^H所組成，圖 3-6 標出了低頻濾波器由虛線包圍部分

R₁L、R₂^L與R₃^L共振器所構成。

θ

3

6

θ

圖3-2 三階柴比雪夫雙頻濾波器，輸入與輸出共振器R₁^L跟R₃^L的 θ₃與θ₆ 電氣長度對應圖

圖3-3 三階柴比雪夫雙頻濾波器之高頻訊號 5.8 GHz 負載圖 表3-2 三階柴比雪夫雙頻濾波器，基本輸入與輸出共振器R^1L與 R^3L各段 傳輸線對應的電氣長度與阻抗設計參數

Passband 2.4G 5.8G

FBW 6.9% 8.6%

θ1 _25.6^° ₆₂^°

θ2 _48.7^° ₁₁₈^°

θ3 _10.3^°

θ4 _37.13^°

θ5 _37.13^°

θ6 _70.35^°

Input R₁^H Output

High- band resonator

Low - band resonator Low - band signal path High- band signal path

M12H M23H

模擬所使用之全波模擬軟體為Agilent 公司的 ADS Momentum。圖 3-7 為本電路實際佈局圖與尺寸圖，標示出各段傳輸線之物理長度，整個

圖3-5 三階柴比雪夫雙頻濾波器之高頻濾波器

R

₂^L

R

₁^L

Input Output

Low-band resonator

R

₃^L

M ₁₂ ^L M ₂₃ ^L

圖3-6 三階柴比雪夫雙頻濾波器之低頻濾波器

R

2L

Dimension 7.1 0.4 24.7 0.6

5 6 7 8

Dimension 0.9 1.1 3.65 14

圖3-8 三階類柴比雪夫雙頻濾波器的實體圖

(a)

(b)

2 3 4 5 6 7

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

Measurement Simulation

(c)

圖 3-9 三階柴比雪夫雙頻濾波器模擬與實際量測頻率響應圖形(a)低

3-3 四階類橢圓交叉耦合雙頻濾波器設計

本文所提出之設計想法由 3-2 節中所設計之三階柴比雪夫雙頻濾

波器已獲得驗證，然而三階柴比雪夫雙頻濾波器雖然能有著較低的插 入損失，不過由於其沒有傳輸零點關係，因此在選擇性上則較不好。

本節將利用四階類橢圓交叉耦合雙頻濾波器架構[17]來實現電路，雖 然此架構電路尺寸可能將較前兩節的三階柴比雪夫雙頻濾波器架構來 的大，然而其在通帶旁能有著一對傳輸零點特性，因此將有著更好的 選擇性。

四階類橢圓交叉耦合雙頻濾波器，其設計流程也與三階柴比雪夫

雙頻濾波器設計方法相同，在耦合方式則使用電耦合、磁耦合與混合 式耦合。其輸入與輸出共振器同樣為對稱式結構，基本共振器架構與 圖3-1 相同。由圖 3-10 中，在對應於高頻帶部分 5.2GHz，θ4與 θ5同樣 為四分之一波長傳輸線。因此高頻中心頻率的訊號在 B 點會形成開路 特性(ZB= ∞)。

此四階類橢圓雙頻濾波器之參數制定如下：第一個頻帶中心頻率 f₁設計在2.4 GHz、第二個頻帶中心頻率f₂設計在5.2 GHz，相對頻寬分 別為7.2%與6.7%，同樣可以藉由表3-3來查詢濾波器元件所需要的參 數，本四階類橢圓雙頻濾波器使用參數為，g₁=1.0316、g₂=1.36934、

J₁= –0.14487、J₂= –1.04094，帶入公式(3-5)、(3-6)、(3-7)與(3-8)可得到 低頻濾波器所需之外部品質因素與各個耦合係數表示如下

059 .

2 0

, 1^H = M

表3-3 低通濾波器原型元件值

同樣為了能使設計更加方便，根據低頻共振器所需滿足的導納方 程式Y_in =0，圖 3-11 也事先繪出了滿足共振器之輸入與輸出共振器 θ₃ 和 θ6所互相對應的電氣長度。表 3-4 則整理出，本基本共振器在一開 始所設計的參數，輸入與輸出共振器分別在低頻與高頻之下的各段傳 輸線所對應之電氣長度與特性阻抗。由圖3-12 所示，為三階柴比雪夫

色實線為高頻訊號耦合路徑，圖3-13 中，高頻濾波器部分則由深灰色 標示部分R₁^H、R₂^H、R₃^H與R₄^H所組成，圖3-14 中，低頻濾波器由虛線所 圍成之部分R₁^L、R₂^L、R₃^L與R₄^L共振器所構成。圖 3-15 為本四階類橢圓 雙頻濾波器電路佈局與尺寸圖，

6

θ

θ

3

圖3-11 四階類橢圓雙頻濾波器R^1L與R^4L之θ³與θ⁶ 電氣長度對照圖

表3-4 四階類橢圓雙頻濾波器，基本輸入與輸出共振器R^1L與R^4L各段傳 輸線對應的電氣長度與阻抗設計參數

Passband 2.4G 5.2G

FBW 7.2% 6.7%

θ 1 32.41^° 70.4^°

θ 2 50.46^° 109.6^°

θ3 _11.4^°

θ 4 41.44^°

θ5 _41.44^°

θ6 _52.89^°

Z1 50Ω 50 Ω

圖3-12 四階類橢圓雙頻濾波器耦合路徑

R

₁^H

R

₁^L

R

₂^H

R

₃^H

R

₄^H

R

₂^L

R

₃^L

R

₄^L

Input Output

R

₁^H

R

₂^H

R

₃^H

R

₄^H

High-band resonator

M ₂₃ ^H

M ₃₄ ^H M ₁₂ ^H

圖3-13 四階類橢圓雙頻濾波器之高頻濾波器

R

₁^L

Low-band resonator

R

₂^L

R

₃^L

R

₄^L

Input Output

M ₃₄ ^L M ₁₂ ^L

M ₃₄ ^L M ₁₄ ^L

圖3-14 四階類橢圓雙頻濾波器之低頻濾波器

圖3-15 四階類橢圓雙頻濾波器佈局與尺寸

圖3-16 四階類橢圓雙頻濾波器的實體圖

圖 3-17 為模擬響應與實際量測響應圖比較圖，在實際量測中低頻 部分2.4 GHz 圖 3-17(a)其插入損失為 2.63dB，3-dB 頻寬為 6.9%，在 高頻部分5.2 GHz 圖 3-17(b)其插入損失為 2.6dB，3-dB 頻寬為 6.7%。

在圖3-17(c)可發現位於 4.6 GHz 附近產生的假波響應，其也可能由低 頻共振器R₁^L 與 R^4L所造成。

(a)

(b)

2 3 4 5 6 -60

-50 -40 -30 -20 -10 0

Measurement Simulation

(c)

圖3-17 四階類橢圓雙頻濾波器，模擬與實際量測頻率響應圖形(a)低頻 帶部分(b)高頻帶部份(c)寬頻帶

在文檔中 雙頻微帶濾波器之匹配電路設計 (頁 35-60)