高性能微带双通道滤波耦合器用于物联网与智慧城市技术

《Results in Engineering》：High-Performance Microstrip Dual-Channel Filtering Coupler for IoT and Smart City Technologies

　　

摘要专业翻译 提出了一种新型双频段架构：一种工作于2.4 GHz和6.2 GHz的高性能微带0°双通道滤波耦合器，面向物联网（IoT）和智慧城市应用。该器件采用创新的混合径向与蜿蜒谐振器（hybrid radial and meandering resonators），实现了仅0.041λg2的紧凑物理面积。在2.4 GHz处实现了优异的幅度与相位平衡，相位不平衡度低至0.54°，幅度不平衡度仅为0.083 dB。该耦合器具有高选择性，同时可抑制高达12.6 GHz（低于-14.7 dB）及高达9.65 GHz（低于-20 dB）的有害谐波。器件展示了优异的信号传输性能，具有低插入损耗、高回波损耗（2.4 GHz处为-30 dB）以及亚纳秒级群延迟（≤1 ns）。

论文解读文章

一、研究背景与问题提出

近年来，先进通信技术与智慧城市应用对紧凑型、高性能信号处理器件的需求持续增长。随着物联网（Internet of Things, IoT）设备在城市环境中的日益普及，可靠信号分配的重要性愈发凸显。耦合器（coupler）作为这些系统中的关键器件，能够实现高效信号传输并提升系统整体性能。在各类耦合器中，双通道微带耦合器被认为是单通道方案的优势替代品，尤其是在具备改进性能和滤波能力的情况下。

然而，传统单频段耦合器普遍面临带宽受限、插入损耗较高以及谐波抑制不足等问题。由于设计过程更为复杂，目前报道的微带双频段耦合器数量有限。已有文献中报道的双频段耦合器均无法有效抑制谐波；部分设计选择性较差；另一些则存在插入损耗过高和耦合系数不理想的问题。此外，群延迟（group delay）作为评估信号完整性的关键参数，直接影响通信系统的相位线性和整体性能，而现有双频段耦合器研究均未涉及这一重要方面。因此，开展兼具滤波响应、谐波抑制、双频段工作能力、小型化结构以及低群延迟的新型耦合器研究具有重要的学术价值和工程意义。

二、研究内容与主要结论

研究人员提出了一种采用新型对称结构的微带零度双通道滤波耦合器，工作频率为2.4 GHz和6.2 GHz。该耦合器采用枝节加载环形谐振器（stub-loaded loop resonators）与耦合单元相结合的设计思路，实现了滤波频率响应，并有效抑制了谐波。研究表明，该耦合器在2.4 GHz处实现了优异的幅度与相位平衡，相位不平衡度仅为0.54°，幅度不平衡度为0.083 dB；回波损耗达-30 dB，插入损耗低，群延迟不超过1 ns。同时，器件可抑制高达12.6 GHz（低于-14.7 dB）和9.65 GHz（低于-20 dB）的有害谐波。该耦合器物理面积仅为0.041λ_g²，体现了显著的小型化优势。2.4 GHz工作频段与Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等广泛使用的无线通信标准高度契合，使其适用于物联网设备互联、智慧家居、可穿戴技术以及智慧城市中的智能传感器网络、交通管理系统和公共网络等多种应用场景；6.2 GHz频段则有助于提升带宽利用率，支持更多设备接入和更高速率的数据传输。

三、关键技术与方法

研究人员采用的主要技术方法包括：第一，构建半布局基础拓扑结构，采用对称构型连接公共端口、传输端口、耦合端口和隔离端口；第二，提出近似的LC等效电路模型对基础拓扑进行数学分析，将微带传输线等效为电感，耦合效应、间隙效应和内部并联枝节分别等效为电容，通过推导阻抗表达式分析电路行为；第三，将基础拓扑升级为完整的双频段耦合器，利用枝节加载开环结构作为基本单元，通过调节环内枝节实现谐振频率的调谐和尺寸的缩减。

四、研究结果

4.1 基础拓扑与等效电路分析

研究人员首先提出了双频段滤波耦合器的基础拓扑结构，该结构具有对称性，由公共端口、传输端口、耦合端口和隔离端口组成。为分析该拓扑，建立了近似的LC等效电路模型，其中耦合段、小间隙和内部并联枝节分别由电容C₁、C₂和C₃表示，各微带线由电感替代。分析表明，在低频范围内该集总近似具有良好精度，但在高于10 GHz的频率下需考虑拐角、阶跃和小间隙的影响。通过推导阻抗Z₁和Z₂的表达式，并结合工作频率条件，研究人员验证了电路模型的合理性。

4.2 耦合器设计目标与实现

研究确立了四个核心设计目标：滤波响应与谐波抑制、面向多址通信系统的双频段频率响应、小型化结构、以及面向物联网用户的2.4 GHz谐振频率调谐。为实现滤波响应，研究人员选用耦合单元而非传统分支线结构；为实现双通道滤波耦合，采用枝节加载环形结构，其中细体环路和耦合电容分别提供电感和电容特性，二者结合形成通带。通过调节环内枝节，可方便地调谐谐振频率并节省尺寸。

4.3 性能验证与应用前景

研究结果表明，所提出的双通道微带耦合器在2.4 GHz和6.2 GHz两个频段均实现了优异的性能指标。该耦合器不仅具备滤波频率响应和宽频带谐波抑制能力，还表现出低插入损耗、高回波损耗、优异的幅度/相位平衡以及亚纳秒级群延迟。在应用层面，该器件可广泛覆盖物联网和智慧城市技术之外的多种场景，包括工业自动化系统中的远程监控与设备控制等。

五、讨论与结论

本文讨论部分指出，与已有文献中报道的双频段耦合器相比，所提出的设计在谐波抑制、选择性和群延迟控制方面具有显著优势。已有双频段耦合器普遍存在无法抑制谐波、选择性差或插入损耗高等缺陷，而本设计通过创新的混合径向与蜿蜒谐振器结构，在实现双频段工作的同时兼顾了滤波性能和小型化需求。

研究结论表明，通过采用新型对称配置和枝节加载环形谐振器结构，成功实现了高性能的双通道滤波耦合器。该器件在2.4 GHz和6.2 GHz双频段工作，具备滤波响应和谐波抑制能力，物理尺寸仅为0.041λ_g²，在2.4 GHz处实现了0.54°的相位不平衡度和0.083 dB的幅度不平衡度，回波损耗达-30 dB，群延迟不超过1 ns，谐波抑制分别达12.6 GHz（低于-14.7 dB）和9.65 GHz（低于-20 dB）。该耦合器的工作频段与Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等主流通信标准高度契合，可广泛应用于物联网设备互联、智慧城市基础设施以及工业自动化系统等领域，为现代无线通信系统提供了一种紧凑、高性能的信号处理解决方案。