WLAN和WiMAX三频多模带通滤波器的设计与分析(2)
微波理论与技术的发展带给滤波器作为其研究领域的一个重要分支的新发展与挑战。在现代通信系统中滤波器扮演着非常重要的角色。学者们对微波滤波器的研究越来越深入，不管从理论还是从结构应用上，微波滤波器技术都有了巨大的发展：从个别应用到一般应用，设计方法从繁到简、从粗糙到精确，型式多样和元件化、标准化，与其他有源或无源元件和器件组合、日益密切，各种新型材料用于微波滤波器，谐振的高速和自动化，研究新波段是微波滤波器在近几年的发展趋势。
由于通信的需要和为了进一步提高频谱资源的利用率与通信频段的兼容性和终端器件设备尺寸的小型化、集成化、高性能化，要求滤波器同时可以工作于多个波段，所以多通带微波滤波器技术成为近年来的研究热点。如能够同时工作于WLAN (Wireless Local Area Network)频段(2.4/5.2GHz)和WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)频段(3.5 GHz)的三通带滤波器。多频带滤波器作为多频收发机中不可缺少的关键器件之一，它能有效地滤除各种无用信号及噪声信号、降低各通信频道间的信号干扰，从而保障通信设备的正常工作，实现高质量的通信[9]。另外在很多系统中，滤波器尺寸的大小在一定程度上决定了射频前端体积的大小，如果能采用单个滤波器实现多通带特性，则会大大减小收发机的体积，从而缩小了整个系统尺寸、降低设备成本、提高产品竞争力。所以多频滤波器的设计理论和分析方法对多频通信系统的发展具有很重要的意义。
1.2 多频滤波器的研究状况及发展方向
平面带线结构滤波器由于结构简单、易于电路集成、具有尺寸小、易加工、成本低的优点而在微波\射频得到了广泛应用。在大部分文章里面所设计的多频滤波器都是基于微带线结构。
多频滤波器的主流设计有两种方法：第一是利用多个滤波器组合设计多频滤波器（包括带通滤波器与带阻滤波器的组合或者多个带通滤波器的组合），第二种方法是利用谐振器的寄生频率设计多频滤波器（常见的有利用阶跃阻抗谐振器和利用支节线加载谐振器来设计多频滤波器）。
第一种方法，为了实现多频滤波器则最直接、简单的方法是将多个滤波器按某种方式连接在一起。一般有带通滤波器与带阻滤波器级联和两（或多）个通带滤波器的并联。前一方法可想而知，带通滤波器必须为宽带带通滤波器而且带宽要求足够宽能容纳两个通带的信号。这方法由台湾徐敬文教授于2004年提出[11]，图1-1是电路图与滤波器频率响应特性。采用这种结构设计多频滤波器使得滤波器体积大，插入损耗也比较大。
图1-1 级联带通和带阻滤波器的双频滤波器及其特性
后一方法把多个中心频率不同的带通滤波器并联实现多频带通滤波器。因为每个滤波器的输入端和输出端是直接链接在一起所以导致阻抗失配问题，需要附加匹配电路。从而使得电路体积和额外损耗增大。为了克服这缺点很多学者提出输入端和输出端采用耦合线的方法。例如图 1-2 是采用耦合线结构作为输入和输出的双频段滤波器及其频率响应[12]。
图1-2 耦合线结构作为输入输出的双频段滤波器及其响应
第二种方法是利用谐振模式可控的谐振器设计多频滤波器，此方法包括：基于阶跃阻抗谐振器SIR (Stepped Impedance Resonator) 和基于支节线加载谐振器SLR (Stub – Loaded Resonator)的谐振特性来设计多频带滤波器。
SIR结构是由M.Makimoto和S.Yamashita于1980年提出[13]，并证明通过改变SIR的阻抗比，SIR的前几个谐振频率可在很大的范围内控制。而利用SIR设计多频滤波器也是基于它的谐振频率易控特点，将SIR的第二、第三谐振频率作为多频滤波器的第二、第三通带中心频率。一般使用两节SIR结构设计双频带滤波器，如图1-3 是新加坡祝雷教授于2005年提出的利用SIR设计的双频滤波器的模型及频率响应曲线，通过调整SIR的电长度比和阻抗比，可以得到所需的两个通带频率[14]。