多頻帶與寬頻帶帶通濾波器設計之研究
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濾波器應用微帶線耦合原理,並藉由控制步階阻抗諧振器阻抗比值,來控制濾波器第一及第二通帶之中心頻率。
本主題探討應用微帶線SIR做耦合,再把兩組結構相同但大小(阻抗)不 ...
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摘 要帶通濾波器架構的可以重組與創新是本論文的焦點;由於現代多頻與寬頻通訊系統蓬勃發展及需求日益增加,已在文獻發表的大多數研究者皆致力於一般窄頻(單頻)濾波器的研究及製造技巧;本論文主要研究將注重在微帶傳輸線多頻與寬頻濾波器的電路結構特性、拓樸架構與等效集總電路分析及寬截止帶之改善。
第一部份,論文首先提出研究三頻帶帶通濾波器,它的基本架構是由兩套對稱等寬度耦合線及三段傳輸線組成一個非對稱三頻帶帶通濾波器,中心頻率f1等於2.4GHz、f2等於4.2GHz、f3等於8.9GHz,因為中心頻率f3等於8.9GHz距離f1與f2頻段太遠,形成三個中心頻率不對稱,為了改善這個中心頻率不對稱缺點,利用開路傳輸線段並接於適當微帶耦合線的中間,因此把中心頻率f3降低為6.5GHz,使三個頻帶中心頻率各有相隔離2GHz左右的對稱,而形成三頻帶帶通濾波器,這濾波器構造簡單容易分析,經模擬與製造量測效果良好,證明與理論也相當符合。
第二部份,這個研究是繼續第一部份三頻帶帶通濾波器架構做改良研究,本研究重點是設計一個可以重組合的多頻帶帶通濾波器,近代多頻帶通訊系統蓬勃發展及使用日益增加,多數使用者或設計工程師及生產製造商,總是希望在同一電路架構,用簡單的改變電路,就可以容易獲得一個雙頻帶帶通濾波器或是一個三頻帶帶通濾波器,在第一部份為三頻帶帶通濾波器架構,當把第一部份微帶耦合線中間的開路傳輸線段移到適當的輸入與輸出埠間,構成一組低通濾波器把原本f3頻率8.9GHz濾掉,而變成一個雙頻帶帶通濾波器,即可以很容易獲得一個可以重組合的多頻帶帶通濾波器,經模擬與製造量測效果良好,證明與理論也相當符合,並且證實電路架構具有創新性。
第三部份,本章研究重點是在第一及第二部份之研究架構做大改變,即把第一及第二部份之電路架構的並聯耦合線移除,改接兩組非對稱步階阻抗諧振器(SIR),用這個新電路架構做2.6/5.2GHz雙頻帶通濾波器。
濾波器應用微帶線耦合原理,並藉由控制步階阻抗諧振器阻抗比值,來控制濾波器第一及第二通帶之中心頻率。
本主題探討應用微帶線SIR做耦合,再把兩組結構相同但大小(阻抗)不相等SIR在傳輸線上並接,形成非對稱耦合SIR架構雙頻帶通濾波器,濾波器製作簡單而且經模擬與量測效果相當良好。
第四部份,最後主題是以第三部份雙頻帶帶通濾波器再做改良設計及調整,在這裡用高阻抗比率SIR替代原來之SIR,在SIR高阻抗微帶線線條把它做成極細條狀,再進一步把兩個SIR低阻抗做強力耦合而形成一個等效電容,電路就變成一個電感、電容、電感串聯諧振的寬止帶帶通濾波器,帶通濾波器中心頻率是2.3GHz,它的寬頻止帶頻率達到8.05GHz,中心頻率的調整可以由SIR的低阻抗電容控制,當再用一組架構相同的SIR,但中心頻率是4.1GHz串聯諧振帶通濾波器,並連接到傳輸線下半部,則整體電路功能即成為一個寬頻帶帶通濾波器,寬頻帶帶通濾波器的上下3分貝截止頻率點為1.9GHz至4.5GHz,這濾波器的頻寬是2.6GHz,中心頻率是在3.2GHz。
本論文設計模擬與製作量測是循序漸進,由三段傳輸線做各式濾波器組合與分析;剛開始由三頻帶帶通濾波器基本架構研究,再繼續探討可以重組合多頻帶帶通濾波器的特色,在這兩個主題裡強調傳輸線並聯耦合線做成帶通濾波器。
論文研究最後巧妙地應用SIR替代原來耦合線做成雙頻帶帶通濾波器、寬止帶帶通濾波器、寬頻帶帶通濾波器;在論文裡面把各種濾波器架構,用拓樸等效電路及集總電路加強分析,以使得對本論文濾波器之論述更加清楚。
關鍵字:三頻帶帶通濾波器、寬止帶帶通濾波器、寬頻帶帶通濾波器
AbstractThispaperfocusesonthereconfigurationandtheinnovationoffilterstructures.Inspiteoftherecentboomingdevelopmentandtheburgeoningdemandsformultiplebandandbroad-bandcommunicationsystems,muchoftheliteratureshasfocusedontheresearchandmanufactureofgeneralnarrow-band(singlefrequency)filter.Therefore,thisthesisfocusesonthecircuitstructuralfeaturesandtopologyarchitectureofmultiple-bandandbroad-bandfiltersatthemicrostriptransmissionline,theanalysisofequivalentlumpedcircuit,andtheimprovementofawidestopband.Thefirstpartofthisthesisproposesthestudyoftriple-bandbandpassfilter(BPFs).Atriple-bandbandpassfilterisanasymmetricalbandpassfilterconsistsoftwosetsofcoupledlinesofequalwidthandthreetransmissionlinesections,withcenterfrequencyf1equalsto2.4GHz,f2equalsto4.2GHz,andf3equalsto8.9GHz.Becausethecenterfrequencyf3(8.9GHz)isatadistancefarfromf1andf2,formingthreeasymmetriccenterfrequency,inordertominimizetheasymmetrythisthesisusesopenstubstoconnectinparallelinthemiddleofmicrostripcoupledlines,reducingthecenterfrequencyf3to6.5GHz,sothateachintervalisabout2GHzamongthethreecenterfrequencywhenformingatriple-bandbandpassfilter.Thisfilterstructureissimpleandeasytoanalyze,anditssimulatedresultsmatchedwithactualmeasuredresultswhencomparingtheresultsofsimulationtotheresultsofmanufacturingmeasurement.Thesecondpartofthisstudyseekstoimprovethestructureofthetriple-bandbandpassfilterbydesigningareconfigurablemultiple-bandbandpassfilterbasedonthetriple-bandbandpassfiltercreatedinthefirstpartofthethesis.Duetothevigorousdevelopmentandtheincreasingusageofmultiple-bandcommunicationsystem,amajorityofusersordesignengineersandproductionmanufacturerswishtheycouldinterchangebetweendual-bandbandpassfilterandtriple-bandbandpassfilterbysimplychangecircuitinthesamecircuitstructure.Thiscanbeachievedbymovingtheopenstubsamongthemicrostripcoupledlinesofthetriple-bandbandpassfiltercreatedinthefirstpartoftheresearchtotheappropriateinputandoutputports,whichthencreatesagroupoflow-passfilterandfiltersofftheoriginalf3frequency(8.9GHz),andbecomesadual-bandbandpassfilterfromwhichareconfigurablemultiple-bandbandpassfiltercanbeeasilyobtained.Thefindingsshowthatthesimulatedresultsmatchedwithactualmeasuredresults,thatproofandtheoryareconsistentwitheachother,andconfirmedthecircuitarchitectureisinnovative.Thethirdpartofthisresearchistodramaticallychangethecircuitstructurebyremovingtheparallel-coupledlineusedinthecircuitstructureinthefirstandsecondpartsoftheresearchandreplaceditwithtwosetsasymmetricsteppedimpedanceresonator(SIR),usingthenewappliedcircuitstructuretomake2.6/5.2GHzdual-bandbandpassfilter.Thiscircuitappliedmicrostripline,couplingprincipleandimpedanceangleθbycontrollingthesteppedimpedanceresonatortocontrolthecenterfrequencyofthefirstandthesecondbandpassfilter.Thistopicdiscussestheapplicationofmicrostriplinecoupling,connectingtwosetsofSIRofthesamestructurebutunequalsizetothetransmissionline,forminganasymmetriccoupledSIRframeworkdual-bandbandpassfilter.Thefilteriseasytoproduceandthesimulationandmeasurementresultsshowgoodconsistency.Finally,thefourthpartofthisresearchistoimproveandadjusttheapplicationofdual-bandbandpassfilterdesignedinthethirdpartbyreplacingtheoriginalSIRwithhigh-impedanceratioSIR.HeretheSIRhighimpedancemicrostriplineismadeofextremelynarrowlines,andfurtherthelowimpedanceofthetwoSIRsdostrongcouplingtoformanequivalentcapacitance,thecircuitthenbecomesawidestopbandbandpassfilterwithinductance,capacitanceandinductanceseriesresonator.Thecenterfrequencyofthebandpassfilteris2.3GHz,withwidestopbandfrequencyreaching8.05GHz.Thecenterfrequencyadjustmentcanbecontrolledbythelow-impedancecapacitorofSIR.However,whenagroupofthesamearchitectureSIRwiththecenterfrequencyof4.1GHzseriesresonantbandpassfilteriscoupledtothelowerhalfofthetransmissionline,theoverallcircuitfunctionthenbecomesabroad-bandbandpassfilter.Thecutofffrequencyupanddown3dbofthebroad-bandbandpassfilterisfrom1.9GHzto4.5GHz,withfilterbandwidthat2.6GHzandcenterfrequencyat3.2GHz.Thisthesistakesagradualapproachtowardsdesigningsimulationandproducingmeasurements,usingthreesectionsoftransmissionlinetoperformthecombinationandtheanalysisofvariousfilters.Thethesisbeginsbyanalyzingthebasicframeworkofthetriple-bandbandpassfilter,andthencontinueontoexploringthecharacteristicsofareconfigurablemultiple-bandbandpassfilter.Thefirsttwosectionsplaceanemphasisonbandpassfiltersmadebytheparallelcouplinglinesofthetransmissionlines.Finally,thisresearchcleverlychoosestoreplacetheoriginalcoupledlinewiththeapplicationoftheSIRtocreatedual-band,widestopbandandbroad-bandbandpassfilters.Inthisthesis,byusingthetopologyequivalentcircuitandlumpedcircuitinvariousfilterframeworksstrengthenedtheanalysis,andprovidedabetterclarificationsforthesefilters.Keyword:triple-bandBPFs,widestopbandBPFs,broadbandBPFs.
CONTENTS摘要-IAbstract-IVChapter1Introduction-11.1Motivation-11.2Outlineofthethesis-2Chapter2ACoupled-lineTriple-bandBandpassFilterwithanAdjustableThirdPassband-32.1Introduction-32.2Theoryoftheresonantfrequencyadjustment-52.3Theeffectofopenstubsonresonancefrequencyf3-112.4Centerfrequencyshiftingoff1andf2-122.5Measuredresults-142.6Conclusion-17Chapter3AReconfigurableCoupled-lineMultiple-bandBandpassFilter-183.1Introduction-183.2Theoryoftheresonantfrequencyadjustment-203.3Analysisoflumpcircuitandtopologyelementofmicrostripmultiple-bandBPFswithopenstubs-263.4Reconfigurablemultiple-bandbandpassfilter-283.5Simulatedandmeasuredresults-293.6Conclusion-32Chapter4Dual-bandBPFsUsingAsymmetricCoupledSIRStructure-334.1Introduction-334.2Designandsimulationofdual-bandfilter-354.3Measuredresults-414.4Conclusion-42Chapter5ANovelSIR-typeWideStopbandandBroad-bandBPFs-435.1Introduction-435.2Thewidestopbandbandpassfilter(2.3GHz)-455.3Thewidestopbandbandpassfilter(4.1GHz)-525.4Thebroad-bandbandpassfilter-565.5Simulatedandmeasuredresults-645.6Conclusion-65Chapter6Conclusion-666.1Summaryofthethesis-666.2Suggestionsforfurtherresearch-68References-70ListofPublications-75
References[1]Q.X.Chu,andX.M.Lin,Advancedtriple-bandbandpassfilterusingtri-sectionS.I.R.,ELECTRONICSLETTERS44(2008)[2]Q.X.Chu,anditsapplicationstobandpassfilters,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.57(2009),1753-1759.[3]W.Y.Chen,S.J.Chang,M.H.Weng,Y.H.Su,andH.Kuan,Simplemethodtodesignatri-bandbandpassfilterusingasymmetricSIRforGSM,Microw.Opt.Tech.Lett.53(2011),1573-1576.[4]D.Packiaraj,M.RameshandA.T.Kalghatgi,Designofatri-sectionfoldedSIRfilter,IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters16(2006).[5]C.F.Chen,T.Y.Huang,andR.B.Wu,Designofdualandtriple-passbandfiltersusingalternatelycascadedmultibandresonators,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.54(2006),3550-3558.[6]WenKo,andMan-LongHer,DesignandimplementationofasymmetriccoupledSIRdual-bandbandpassfilter,PIERS,2012.[7]N.Z.Zakaria,M.K.MohdSalleh,Z.IsmailKhan,N.AbWahab,andZ.Awamh,Frequencyshiftingofmicrostripringfilterusingopenstubs,IEEE,2010.[8]LiLi,Ting-TingAn,Wen-WenWang,andWen-MeiZhang,Asquareringdual-bandfilterwithadjustablesecond-passbandbytheopenstubs,IEEE,2008.[9]RajeshMongia,InderBahl,andPrakashBhartia,RFandmicrowavecoupled-linecircuits,ArtechHouse.[10]ShaLuo,LeiZhu,ShengSun“CompactDual-ModeTripleBandBandpassFiltersUsingThreePairsofDegenerateModesinaRingResonator,IEEETrans.MicrowaveTheoryTechniques,Vol.59,no.5,may2011[11]Q.X.Chu,andX.M.Lin,Advancedtriple-bandbandpassfilterusingtri-sectionS.I.R.,ELECTRONICSLETTERSvolume:44,Issue:4(2008),page(s):295-296[12]Q.X.Chu,F.C.Chen,Z.H.Tu.,andH.Wang,Anovelcrossresonatoranditsapplicationstobandpassfilters,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.57(2009),1753-1759.[13]W.Y.Chen,S.J.Chang,M.H.Weng,Y.H.Su,andH.Kuan,Simplemethodtodesignatri-bandbandpassfilterusingasymmetricSIRforGSM,Microw.Opt.Tech.Lett.53(2011),1573-1576.[14]D.Packiaraj,M.RameshandA.T.Kalghatgi,Designofatri-sectionfoldedSIRfilter,IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters16(2006).[15]C.F.Chen,T.Y.Huang,andR.B.Wu,Designofdualandtriple-passbandfiltersusingalternatelycascadedmultibandresonators,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.54(2006),3550-3558.[16]WenKo,andMan-LongHer,DesignandimplementationofasymmetriccoupledSIRdual-bandbandpassfilter,PIERSKualaLumpur,Malaysia27-30March2012.[17]N.Z.Zakaria,M.K.MohdSalleh,Z.IsmailKhan,N.AbWahab,andZ.Awamh,Frequencyshiftingofmicrostripringfilterusingopenstubs,Proceedingof2010IEEE(SCOReD2010).[18]LiLi,Ting-TingAn,Wen-WenWang,andWen-MeiZhang,Asquareringdual-bandfilterwithadjustablesecond-passbandbytheopenstubs,ICMMT2008Proceedings.[19]RajeshMongia,InderBahl,andPrakashBhartia,RFandmicrowavecoupled-linecircuits,ArtechHouse(1999).[20]MiguelA.S’anchez-Soriano,EnriqueBronchaloandGerm’anTorregrosa-Penalya,DualBandBandpassFiltersBasedonStrongCouplingDirectionalCouplers,Proceedingsofthe39thEuropeanMicrowaveConference.[21]Ji-eunLim,Min-heeNam,Han-olChoi,Jae-hyunLee,Two-PortMalancedDual-BandBandpassFilterBasedOnSteppedImpedanceResonators,ProceedingsofAsia-PacificMicrowaveConference2010Copyright2010IEICETHIG-16[22]Z.I.Khan,M.K.MohdSalleh,M.A.AbdulLatip,MicrostripDual-bandDual-pathBandpassFilter,ProceedingsofAsia-PacificMicrowaveConference2011[23]MinhTanDoan,WenquanCheandWenjieFeng,NovelCompactDual-bandBandpassFilterWithMultipleTransmissionZerosandGoodSelectivity,978-1-4673-2185-3/12IEEE(2012)[24]YingShui,Bo-ranGuan,Compactdual-modedual-bandmicrostripbandpassfilter,978-1-4577-0321-8/11IEEE(2011)[25]Byung-KukJeon,HeeNam,Ki-CheolYoon,DesignofaPatchDual-ModeBandpassFilterwithSecondHarmonicSuppressionUsingOpenStubs,ProceedingsofAsia-PacificMicrowaveConference2010.[26]Wen-HuaTu,StudentMember,IEEE,HuifengLi,StudentMember,IEEE,MicrostripOpen-LoopRingBandpassFilterUsingOpenStubsforHarmonicSuppression,0-7803-9542-5/06/$20.00C2006IEEE[27]MorikazuSagawa,MitsuoMakimoto,andSadahikoYamashita,GeometricalStructuresandFundamentalCharacteristicsofMicrowaveStepped-ImpedanceResonators,IEEETrans.MicrowaveTheoryandTechniques,vol.45,no.7,pp.1078-1085,July1997[28]Ching-WenTang,Member,IEEE,andMing-GuangChen,AMicrostripUltra-WidebandBandpassFilterWithCascadedBroadbandBandpassandBandstopFilters.IEEETrans.MicrowaveTheoryandTechniques,vol.55,no.11,November2007[29]MongkolMeeloon,SarawuthChaimool,andPrayootAkkaraekthalin,ABroadbandBandpassFilterwithaNotch-BandUsingStep-ImpedanceResonatorandEmbeddedSlots,978-1-4244-2802-1/09/$25.00©2009IEEE[30]AmirTorabi,StudentMember,IEEE,andKeyvanForooraghi,Member,IEEEMiniatureHarmonic-SuppressedMicrostripBandpassFilterUsingaTriple-ModeStub-LoadedResonatorandSpurLines,IEEEMICROWAVEANDWIRELESSCOMPONENTSLETTERS,VOL.21,NO.5,MAY2011[31]RajeshMongia,InderBahl,andPrakashBhartia,RFandmicrowavecoupled-linecircuits,ArtechHouse(1999).
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