摘 要：隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線電技術(shù)中的微波有源、無源部件的研究對于提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及雷達(dá)系統(tǒng)的性能具有非常重要的意義。本文主要圍繞無線電收發(fā)信機(jī)中的微波有源、無源部件，結(jié)合微帶傳輸線理論提出了抑制雜波的SIR電容藕合微帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了SIR諧振器結(jié)構(gòu)通過調(diào)整諧振器的阻抗比實(shí)現(xiàn)雜波頻率控制的機(jī)理，給出了SIR電容藕合帶通濾波器的仿真結(jié)果。

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關(guān)鍵詞：微波;無線電;帶通濾波器;雜波抑制

中圖分類號：TN925文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)07-044-03

Study on Microwave Components of Wireless Communication System

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YE Shunfu

(Zhangzhou Employment Center，Zhangzhou，363000，China)

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Abstract：With the development of communication technology，it becomes very valuable to study on microwave active and passive components in wireless technology as excellent to enhance the capability of satellite communication systems or radar system.Based on the study for the spurious suppression technology of microstripbandpass filter，a capacitive coupled Stepped Impedance Resonators(SIR) microstrip passband filter is proposed，the principle that spurious center frequency can be controlled by adjusting the SIR impedance ratio are analyzed and the results of passband filter simulation is given.

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Keywords：microwave;wireless;bandpass filter;clutter suppression

1 引 言

雷達(dá)、衛(wèi)星通信、無線電遙感，導(dǎo)航系統(tǒng)的研究使得無線電技術(shù)得到了快速的發(fā)展，尤其到了20世紀(jì)末期，隨著移動(dòng)通信技術(shù)、射頻識別技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，無線電技術(shù)的研究進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。射頻或微波無線電通信系統(tǒng)的前端都由不同的部件通過傳輸線連接構(gòu)成。無線電通信系統(tǒng)的前端中既包含無源部件如功分器、藕合器、濾波器、延遲線、隔離器、環(huán)行器以及天線等又包含有源部件如混頻器、開關(guān)、相移器、本振、放大器等。要提高整個(gè)無線電系統(tǒng)的性能，除了在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候，需要綜合考慮各個(gè)部件的指標(biāo)分配以外，每個(gè)部件的性能指標(biāo)以及其實(shí)現(xiàn)形式也要進(jìn)行考慮，因此研究具有特性功能的微波部件具有非常重要的意義。

在傳統(tǒng)的無線電收發(fā)信機(jī)中，為于降低雜波響應(yīng)對混頻器、功率放大器等非線性部件的影響，通常最直接的方式是在帶通濾波器的輸出端口串聯(lián)一個(gè)低通濾波器，額外低通濾波器的使用不僅增加了濾波器的插入損耗同時(shí)也加大了濾波器的體積。而具有雜波抑制特性的帶通濾波器不僅可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，同時(shí)由于抑制了雜波還可以提高帶通濾波器的通帶對稱性以及高端阻帶的衰減特性。因此，本文在研究了國內(nèi)外關(guān)于微帶結(jié)構(gòu)帶通濾波器的雜波抑制技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合微帶傳輸線理論提出了抑制雜波的SIR電容藕合微帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了SIR諧振器結(jié)構(gòu)通過調(diào)整諧振器的阻抗比實(shí)現(xiàn)雜波頻率控制的機(jī)理，給出了SIR電容藕合帶通濾波器的仿真結(jié)果。

2 微帶SIR電容間隙藕合帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理

傳統(tǒng)的電容間隙微帶藕合帶通濾波器是采用λ/2傳輸線作為諧振器，通過邊緣的端電容藕合而實(shí)現(xiàn)的濾波器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)和平行藕合微帶帶通一樣，不具有諧波抑制特性。SIR諧振器構(gòu)成的濾波器由于其減小了微帶藕合諧振器的奇模和藕合的相速，可以抑制濾波器的一階諧波通帶。利用SIR諧振器的特性，將其取代電容藕合帶通濾波器的λ/2微帶諧振器，得到了一種可以控制其諧波頻率的微帶SIR電容間隙藕合帶通濾波器((CGC)，仿真結(jié)果證實(shí)了其抑制諧波的特性。

3 等電長度SIR諧振器

SIR諧振器是由兩個(gè)以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成的準(zhǔn)TEM波的諧振器。微帶SIR諧振器如圖1所示，其結(jié)構(gòu)為對稱的，中間和兩端的特性阻抗分別為Z1和Z2，電長度分別為2θ1和2θ2， θR=2(θ1+θ2)，阻抗比值K=Z2/Z1，SIR諧振器終端開路時(shí)其輸入導(dǎo)納為：



Yin=j1Z2#8226;2(Ktan θ1+tan θ2)(K－tan θ1#8226;tan θ2)K(1－tan 2θ1)(1－tan 2θ2)－2(1+K2)tan θ1#8226;tan θ2

(1)



當(dāng)θ1＝θ2＝θ時(shí)，即等于SIR諧振器，上式可以簡化為：



Yin=j1Z2#8226;2(K+1)(K－tan 2θ)#8226;tan θK－2(1+K+K2)tan 2θ+Ktan 2θ

(2)



根據(jù)電磁場理論當(dāng)Yin＝0時(shí)，SIR滿足諧振條件，即K=tan2θ。

圖1 微帶SIR諧振器

設(shè)諧波響應(yīng)中心頻率為Fsn(其中n=1，2，3，…)對應(yīng)的電長度為θsm，由文獻(xiàn)[2]有

tan θs1=∞，tan 2θs2=K，tan θs3=0，一階寄生通帶的電長度最小值為π/2，所以有:



fs1fs0=θs1θs0=π2tan －1K

(3)



由式(3)可以看出SIR諧振器不同的阻抗比值將使得其一階諧波中心頻率的位置不一樣，因此可以通過調(diào)節(jié)SIR的阻抗比來控制一階諧波通帶的中心頻率。例如當(dāng)SIR諧振器阻抗比值K=05的時(shí)候，一階諧波通帶的中心頻率在255f0處。

4 SIR電容藕合帶通濾波器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電容藕合帶通濾波器是一種用近似為頻帶中心頻率f0的半波長傳輸線作為諧振單元，端電容間隙為藕合結(jié)構(gòu)的自接藕合半波長濾波器如圖2所示，每個(gè)諧振器的長度定義為一個(gè)容性間隙中心到下一個(gè)容性間隙中心的距離，其一階諧波通帶的中心頻率為第一通帶中心頻率的2倍左右。

圖2 電容間隙藕合微帶濾波器

根據(jù)濾波器理論其導(dǎo)納變換器導(dǎo)納的公式為：



J01 Y0=πW2g0g1 ω′1



Jj，j+1Y0j-1，n-1=πW2ω1gj gj+1

Jn，n+1Y0=πW2gngn+1ω′1

(4)



其中:gj為低通原型濾波器的元件數(shù)值，W為帶通濾波器的相對帶寬，ω′1為歸一化帶邊頻率。W=ω2－ω1ω0=2ω2－ω1ω2+ω1，ω2為上帶邊頻率，ω1為下帶邊頻率。己知導(dǎo)納變換器的導(dǎo)納后，即可對電容間隙的尺寸和諧振器的長度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

因?yàn)殡娙蓍g隙比較小，故間隙電納可以使用集中參數(shù)串聯(lián)電納Bj，j+1來表示，如圖3所示。電容間隙藕合結(jié)構(gòu)的等效電路如圖4所示。串聯(lián)電納和導(dǎo)納變換器導(dǎo)納J的關(guān)系為：



Bj，j+1Y0=Jj，j+1/Y01－(Jj，j+1/Y0)2

(5)



知道串聯(lián)電納Bj，j+1后，諧振器的實(shí)際長度可以通過式(6)、式(7)進(jìn)行計(jì)算，也可以自接通過串聯(lián)電納由圖表進(jìn)行計(jì)算。



θj=π－12arctg2Bj－1，jY0+arctg2Bj，j+1Y0

(6)

lj=λθj2π

(7)



其中λ為帶線中的導(dǎo)波波長。

圖3 微帶SIR電容間隙藕合濾波器結(jié)構(gòu)

圖4 小電容間隙等效電路

兩諧振器間的電容間隙Δj，j+1可以由串聯(lián)電納來計(jì)算。因?yàn)殡娙莸拈g隙比較小，所以邊緣電容效應(yīng)可以忽略，則間隙電容可以用平板電容公式來確定，所以微帶諧振器之間的間隙可以通過下面的公式確定：



Bj，j+1=ω0C

(8)

C=0225εrAΔj，j+1

(9)



式中Bj，j+1單位為歐姆，A為導(dǎo)帶截面積，單位為平方英寸。

在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，由于Δj，j+1比較小，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的電容間隙誤差比較大，可以利用微波CAD電路仿真軟件，通過設(shè)置初值的方法來優(yōu)化計(jì)算諧振器之間的電容間隙。

5 濾波器的仿真

微帶SIR電容藕合帶通濾波器結(jié)構(gòu)如圖3所示，濾波器的諧振單元由具有一定阻抗比的SIR諧振器構(gòu)成，輸入、輸出端的阻抗為50 Ω特性阻抗。利用SIR諧振器結(jié)構(gòu)在介電常數(shù)為27，高度為15 mm介質(zhì)基板上設(shè)計(jì)、仿真了兩個(gè)帶通濾波器。一個(gè)中心頻率f0=3 GHz，分?jǐn)?shù)帶寬為3%，通帶內(nèi)有02 dB切比雪夫波紋的SIR電容藕合帶通濾波器，SIR的阻抗比值為k=05。選用了三階SIR結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)濾波器，將設(shè)計(jì)得到的最初數(shù)據(jù)使用微波CAD仿真軟件對其進(jìn)行了優(yōu)化，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 中心頻率為3 GHz的SIR微帶

CGC帶通濾波器頻率響應(yīng)

從圖5中可以看出設(shè)計(jì)的SIR電容藕合帶通濾波器具有較好的頻率響應(yīng)，在295 GHz和305 GHz有約18 dB的衰減。其中一階諧波通帶的中心頻率在約26f0處與理論計(jì)算的當(dāng)SIR諧振器阻抗比k=05時(shí)一階諧波通帶中心頻率在255f0處相差約2%。另一個(gè)的中心頻率為191 GHz，分?jǐn)?shù)帶寬為1%的微帶SIR電容藕合帶通濾波器，SIR的阻抗比值k=034，理論計(jì)算其一階諧波通帶中心頻率應(yīng)該在297f0處，一階諧波通帶的中心頻率為

582 GHz，約為主通帶中心頻率的3倍，理論和仿真結(jié)果非常一致。由此可見通過調(diào)整SIR的阻抗比，可以偏移寄生通帶，從而達(dá)到抑制諧波的目的。

增加SIR諧振器的阻抗比值為01，在介電常數(shù)為27，高度為15 mm介質(zhì)基板上設(shè)計(jì)中心頻率f0=15 GHz，分?jǐn)?shù)帶寬為2%的濾波器，高阻抗線電長度為378°，低阻抗線為113°的微帶電容藕合帶通濾波器的結(jié)構(gòu)，輸入、輸出端口為特性阻抗為50 Ω的微帶線，優(yōu)化微帶電容藕合間隙以及諧振器的電長度后可以獲得濾波器仿真結(jié)果。從中得到結(jié)果:濾波器在二階雜波通帶的中心頻率響應(yīng)小于-20 dB，從而進(jìn)一步說明通過調(diào)整SIR諧振器的高、低阻抗比可以控制濾波器的雜波響應(yīng)。

6 結(jié) 語

文中介紹了微波帶通濾波器的概況，分析了采用SIR諧振器電容藕合帶通濾波器結(jié)構(gòu)抑制雜波的機(jī)理，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例以及仿真結(jié)果。結(jié)果表明，具有雜波抑制特性的帶通濾波器不僅可以降低雜波響應(yīng)對混頻器、功率放大器等非線性部件的影響，還可以提高帶通濾波器的通帶對稱性以及高端阻帶的衰減特性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］岡薩雷斯，白曉東.微波晶體管放大器分析與設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［2］清華大學(xué)微帶電路編寫組.微帶電路[M].北京:人民郵電出版社，1975.

［3］甘本被.吳萬春.現(xiàn)代濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社，1973.

［4］徐鴻飛.同軸腔帶通濾波器的一種設(shè)計(jì)方法[J].微波學(xué)報(bào)，2004，20(1)：55-58.

［5］李勝先.吳須大.基于遺傳算法的微波類橢圓函數(shù)濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].空間電子技術(shù)，2002(3)：60-65.

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作者簡介 葉順福 男，1963年出生，福建省平和縣人，工程師，曾獲得漳州市2001年度科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。