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摘 要：物联网作为国家五大战略性新兴产业，其产业发展将使得人类对信号/信息获取、传输、处理和控制决策的能力得到巨大提升[1]。射频识别（RFID）技术作为物联网的核心技术，在物流网中发挥着重要作用。而对于微波频段下的射频识别技术，小尺寸、宽频带的微波滤波器技术又是其核心与关键。本文利用HFSS设计了一款具有弯折线凹凸环新型结构的射频识别带通滤波器，通过设计对比一款传统矩形环滤波器，证明了新型弯折线凹凸环滤波器具有小尺寸、低插损、耦合作用强且耦合宽度大等特点。
关键词：射频识别；微带带通滤波器；HFSS；耦合系数
【分类号】TN822
1引言
物联网中的微波通讯系统作为实现无线电讯号识别和数据读写的关键，其对应的通讯电路品质好坏将直接关系到通讯质量，而在这一进程中微波滤波器的性能与小型化实现是其重点，它相当于微波通讯系统的肾，对无线电讯号起到过滤作用。
有关实现微波滤波器小型化的技术手段有多种，比如Jong-Silk Lim提出了缺陷接地结构[2]，通过增加传输线电长度来减小滤波器实际物理长度。而本文主要将通过改变滤波器谐振腔结构，引入寄生电容的方法，增加谐振腔之间的耦合长度来达到实现滤波器小型化的目的。
2谐振腔耦合系数提取
对于耦合谐振式电路，谐振腔之间的耦合可分为电耦合、磁耦合和混合耦合[3]。图1是同步调谐电耦合与磁耦合的集总元件等效电路，电路分布结构近似窄带。其中L和C分别为谐振单元的自电感和自电容，Cm为互电容，Lm为互电感。根据网络理论，可得图2变形等效电路，其中电耦合和磁耦合分别用导纳变换器和阻抗变换器来表示。
对电耦合，在中间插入电壁或磁壁，谐振频率为：
电耦合系数为：
对磁耦合，在中间插入电壁或磁壁，谐振频率为：
磁耦合系数为：
对混合耦合，其等效电路为前两者的并联形式，在中间插入电壁或磁壁，谐振频率为：
混合耦合系数为：
3 微带带通滤波器
3.1 传统矩形环带通滤波器
傳统矩形环带通滤波器设计一般根据设计指标求出近似的矩形环长、微带线宽、耦合系数等参数后进行仿真。通常只能通过调整谐振腔耦合间距、改变馈电位置结构等方式去改善滤波器的性能，导致了设计自由度低、滤波器尺寸较大等问题。
3.2 一种小型化射频识别带通滤波器
针对传统矩形环带通滤波器的不足，本文设计了一种易于与有源电路兼容，且适于RFID设备小型化和集成化发展趋势的新型凹凸环弯折线带通滤波器。
根据设计指标要求，我们选择了介电常数为19.8的Ca0.95Mg0.05TiO3作为介质基片材料，其在主频2.45GHz下的介电损耗为10-5数量级，微带馈电采用波端口，介质基片底部设有金属地，介质基片上的金属微带线由凹环微带谐振腔和凸环微带谐振腔组成，微带谐振腔下方分别设置有输入微带线和输出微带线，凹环微带谐振腔与凸环微带谐振腔所形成的两个折角形状位置及角度相互配合，折角形状的折线与水平线之间的夹角θ为60°-85°，弯折角处引入寄生电容，缩短了半波谐振周长，从而缩小了滤波器尺寸。微带线宽度 L1为1.7-1.8mm，L2为0.9-1.1mm，尺寸为11.8×7.5mm，面积为88.5mm2。
仿真曲线选取了折角为85°的方案，如图4所示，中心频率为2.45GHz，3dB相对带宽为4.09%，插损小于0.2dB，回波损耗大于20dB。同时，该滤波器由于源负载耦合增加了1个传输零点，提高了带外抑制特性。在带外±40MHz处，衰减大于20dB，可满足一般用户对指标的要求。
3.3 对比传统矩形环带通滤波器
为了说明新型凹凸环滤波器的设计优势，我们通过设计一款传统矩形环带通滤波器来进行对比。如图5所示矩形环滤波器的各项设计指标与新型滤波器设计指标完全相同，均采用相同尺寸大小和材料的介质基片、输入输出微带线、波端口和空气层。
如图6所示，所设计的矩形环带通滤波器中心频率为2.45GHz，3dB相对带宽为3.62%，带内插损小于0.4dB，回波损耗大于20dB，尺寸为4.8×7.1mm，面积为105.08mm2。仿真结果表明，本文所设计的新型凹凸环滤波器与传统矩形环滤波器相比，面积减少了19.55 ，尺寸缩小了约15.8%且各项性能均小幅优于传统矩形环滤波器。
4 耦合系数对比
根据节3所述的谐振腔磁耦合系数提取方法，我们对两款滤波器的两个谐振腔从0.1mm至0.8mm的间距范围进行了耦合系数提取对比，具体结果如下：
耦合作用越强越有利于滤波器实现小型化，分析图7实验结果，新型凹凸环滤波器在腔间距为0.79mm时，达到最大耦合系数约0.476，而传统矩形环滤波器则在腔间距为0.48mm时，达到最大耦合系数约0.468，但矩形环滤波器在腔间距大于0.48mm时便失去了有效耦合作用，而凹凸环滤波器由于在弯折线处引入了寄生电容，增加了耦合长度，提升了谐振腔间的耦合作用，所以其有效耦合间距比矩形环滤波器要长将近0.31mm，在腔间距为0.79mm时才失去有效耦合作用。上述对比，从耦合作用大小的角度进一步说明了凹凸环滤波器的小型化优势。
5 结束语
本文设计的新型凹凸环射频识别带通滤波器，通过改变谐振腔的结构，实现了凹环腔与凸环腔的耦合，从整体结构上缩小了滤波器的尺寸，同时耦合带引入弯折线设计，进一步增强了滤波器的耦合作用，所以与传统矩形环滤波器相比不仅尺寸得到缩小，耦合作用也更强，同时具有与有源电路兼容的优点，有效提高了在应用中的滤波品质，有较大的工程实用价值。
参考文献
[1] 中国科学院自动化研究所编辑委员会.自动化领域发展态势和需求分析[J].自动化天地， 2011（9）： 6-7.
[2] Dal A.， Park，J.S.， Kim，C.S.， et al.A design of the low-pass filter using the novel microstrip defected ground structure. IEEE Trans.on Microwave Theory and Tech.， 2001，49 （1）：86-93.
[3] Palla G， Derenyi I， Farkas I， et al. Uncovering the Overlapping Community Structure of Complex Networks in Nature and Society [J].2005，435（7043）： 814-818.
作者簡介：邱瞳勋（1989-），男，汉族，贵州贵阳人， 贵州大学硕士研究生，主要研究方向为微波滤波器设计仿真。
关键词：射频识别；微带带通滤波器；HFSS；耦合系数
【分类号】TN822
1引言
物联网中的微波通讯系统作为实现无线电讯号识别和数据读写的关键，其对应的通讯电路品质好坏将直接关系到通讯质量，而在这一进程中微波滤波器的性能与小型化实现是其重点，它相当于微波通讯系统的肾，对无线电讯号起到过滤作用。
有关实现微波滤波器小型化的技术手段有多种，比如Jong-Silk Lim提出了缺陷接地结构[2]，通过增加传输线电长度来减小滤波器实际物理长度。而本文主要将通过改变滤波器谐振腔结构，引入寄生电容的方法，增加谐振腔之间的耦合长度来达到实现滤波器小型化的目的。
2谐振腔耦合系数提取
对于耦合谐振式电路，谐振腔之间的耦合可分为电耦合、磁耦合和混合耦合[3]。图1是同步调谐电耦合与磁耦合的集总元件等效电路，电路分布结构近似窄带。其中L和C分别为谐振单元的自电感和自电容，Cm为互电容，Lm为互电感。根据网络理论，可得图2变形等效电路，其中电耦合和磁耦合分别用导纳变换器和阻抗变换器来表示。
对电耦合，在中间插入电壁或磁壁，谐振频率为：
电耦合系数为：
对磁耦合，在中间插入电壁或磁壁，谐振频率为：
磁耦合系数为：
对混合耦合，其等效电路为前两者的并联形式，在中间插入电壁或磁壁，谐振频率为：
混合耦合系数为：
3 微带带通滤波器
3.1 传统矩形环带通滤波器
傳统矩形环带通滤波器设计一般根据设计指标求出近似的矩形环长、微带线宽、耦合系数等参数后进行仿真。通常只能通过调整谐振腔耦合间距、改变馈电位置结构等方式去改善滤波器的性能，导致了设计自由度低、滤波器尺寸较大等问题。
3.2 一种小型化射频识别带通滤波器
针对传统矩形环带通滤波器的不足，本文设计了一种易于与有源电路兼容，且适于RFID设备小型化和集成化发展趋势的新型凹凸环弯折线带通滤波器。
根据设计指标要求，我们选择了介电常数为19.8的Ca0.95Mg0.05TiO3作为介质基片材料，其在主频2.45GHz下的介电损耗为10-5数量级，微带馈电采用波端口，介质基片底部设有金属地，介质基片上的金属微带线由凹环微带谐振腔和凸环微带谐振腔组成，微带谐振腔下方分别设置有输入微带线和输出微带线，凹环微带谐振腔与凸环微带谐振腔所形成的两个折角形状位置及角度相互配合，折角形状的折线与水平线之间的夹角θ为60°-85°，弯折角处引入寄生电容，缩短了半波谐振周长，从而缩小了滤波器尺寸。微带线宽度 L1为1.7-1.8mm，L2为0.9-1.1mm，尺寸为11.8×7.5mm，面积为88.5mm2。
仿真曲线选取了折角为85°的方案，如图4所示，中心频率为2.45GHz，3dB相对带宽为4.09%，插损小于0.2dB，回波损耗大于20dB。同时，该滤波器由于源负载耦合增加了1个传输零点，提高了带外抑制特性。在带外±40MHz处，衰减大于20dB，可满足一般用户对指标的要求。
3.3 对比传统矩形环带通滤波器
为了说明新型凹凸环滤波器的设计优势，我们通过设计一款传统矩形环带通滤波器来进行对比。如图5所示矩形环滤波器的各项设计指标与新型滤波器设计指标完全相同，均采用相同尺寸大小和材料的介质基片、输入输出微带线、波端口和空气层。
如图6所示，所设计的矩形环带通滤波器中心频率为2.45GHz，3dB相对带宽为3.62%，带内插损小于0.4dB，回波损耗大于20dB，尺寸为4.8×7.1mm，面积为105.08mm2。仿真结果表明，本文所设计的新型凹凸环滤波器与传统矩形环滤波器相比，面积减少了19.55 ，尺寸缩小了约15.8%且各项性能均小幅优于传统矩形环滤波器。
4 耦合系数对比
根据节3所述的谐振腔磁耦合系数提取方法，我们对两款滤波器的两个谐振腔从0.1mm至0.8mm的间距范围进行了耦合系数提取对比，具体结果如下：
耦合作用越强越有利于滤波器实现小型化，分析图7实验结果，新型凹凸环滤波器在腔间距为0.79mm时，达到最大耦合系数约0.476，而传统矩形环滤波器则在腔间距为0.48mm时，达到最大耦合系数约0.468，但矩形环滤波器在腔间距大于0.48mm时便失去了有效耦合作用，而凹凸环滤波器由于在弯折线处引入了寄生电容，增加了耦合长度，提升了谐振腔间的耦合作用，所以其有效耦合间距比矩形环滤波器要长将近0.31mm，在腔间距为0.79mm时才失去有效耦合作用。上述对比，从耦合作用大小的角度进一步说明了凹凸环滤波器的小型化优势。
5 结束语
本文设计的新型凹凸环射频识别带通滤波器，通过改变谐振腔的结构，实现了凹环腔与凸环腔的耦合，从整体结构上缩小了滤波器的尺寸，同时耦合带引入弯折线设计，进一步增强了滤波器的耦合作用，所以与传统矩形环滤波器相比不仅尺寸得到缩小，耦合作用也更强，同时具有与有源电路兼容的优点，有效提高了在应用中的滤波品质，有较大的工程实用价值。
参考文献
[1] 中国科学院自动化研究所编辑委员会.自动化领域发展态势和需求分析[J].自动化天地， 2011（9）： 6-7.
[2] Dal A.， Park，J.S.， Kim，C.S.， et al.A design of the low-pass filter using the novel microstrip defected ground structure. IEEE Trans.on Microwave Theory and Tech.， 2001，49 （1）：86-93.
[3] Palla G， Derenyi I， Farkas I， et al. Uncovering the Overlapping Community Structure of Complex Networks in Nature and Society [J].2005，435（7043）： 814-818.
作者簡介：邱瞳勋（1989-），男，汉族，贵州贵阳人， 贵州大学硕士研究生，主要研究方向为微波滤波器设计仿真。