摘 要:描述了設(shè)計諧振器級聯(lián)構(gòu)成的濾波器的一般過程，并在此基礎(chǔ)上，提出了一種快速綜合設(shè)計微帶SIR帶通濾波器的方法，即通過找出微帶SIR濾波器的等效電路模型，然后根據(jù)電路模型進行仿真計算出濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后通過一個實際的SIR濾波器的設(shè)計，驗證了本文提出的電路模型的準確性，并且大大提升了設(shè)計SIR濾波器的效率。

關(guān)鍵詞:濾波器;SIR;電路模型

中圖分類號:TN713文獻標識碼:A文章編號:16723198(2009)21028302

1 引言

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，研制小型化高性能的微波濾波器成為一種必然趨勢。其中SIR(階梯阻抗諧振器)濾波器是一種比較獨特的平行耦合帶通濾波器，由Mitsuo Makimoto和Sadahiko Yamashita于1980年首先提出，SIR濾波器具有尺寸小、易于集成、成本低的特點外，通過控制耦合線段和非耦合線段，可以控制寄生通帶的位置，從而解決了諧波抑制的問題，在L波段和S波段得到了廣泛的應(yīng)用。

2 設(shè)計原理

一般的設(shè)計諧振器級聯(lián)構(gòu)成的濾波器過程是，首先根據(jù)給定的濾波器指標(如中心頻率f0，相對帶寬FBW，插入損耗和帶外抑制等)，通過低通原型獲得濾波器的設(shè)計參數(shù)(級數(shù)n和低通元件值gj)，然后基于選用的諧振器形式計算濾波器的電參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

對于如圖1所示的三階半波長SIR濾波器，其設(shè)計的電參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)一般基于以下的設(shè)計過程。

首先根據(jù)中心頻率確定單個SIR諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖2所示。其中Wc和Wt的選擇將決定濾波器的寄生通帶位置，而Sc、Lc和Lt長度的選擇將決定濾波器的中心頻率位置。然后根據(jù)級間耦合系數(shù)確定縫隙大小，如圖3所示。其中S的大小將決定濾波器的相對帶寬。再根據(jù)外部品質(zhì)因素確定抽頭的位置，如圖4所示。而G的大小將決定濾波器的輸入輸出駐波情況。

以上的過程可以通過解析法利用其等效模型進行計算，或者通過電磁場仿真軟件進行設(shè)計。一般而言通過等效模型可以計算出初始值，然后通過仿真軟件進行優(yōu)化，實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合的較好，但是通過這樣的設(shè)計過程，仿真的時間往往過長。為了提升設(shè)計效率，這里類似設(shè)計平行耦合濾波器的常規(guī)方式，首先找尋出SIR濾波器的電路模型，然后通過電路模型進行仿真和設(shè)計，以加快設(shè)計時間。

3 電路模型的提出

毛睿杰等人提出了單個SIR諧振器的電路模型，如圖5。其描述出了該諧振器電路中的內(nèi)部耦合特性。

在此基礎(chǔ)上，本文提出圖1所示的三階半波長SIR濾波器的電路模型為如圖6所示。

該模型中，將諧振單元的耦合特性和諧振單元間的耦合特性均進行了描述，圖中給出了每段微帶線的電長度。

利用CAD仿真軟件Ansoft Designer進行電路模型的建模，最后的電路模型如圖7所示。

模型中，利用一段電長度為qc的六級平行耦合線來表征諧振器的內(nèi)部耦合和級間耦合的一部分，而級間耦合的另一段由一段平行耦合線來表示。同時模型中，考慮到微帶切角和寬度變換對計算精度的影響，而引入了微帶彎角和T型接頭。到此便完成了三階半波長SIR濾波器電路模型的建立。

4 電路模型的驗證

利用該電路模型，我們設(shè)計了一個中心頻率1.6GHz的帶通濾波器來進行驗證實驗。

基片的選擇為Duroid5880，εr=9.5，整個設(shè)計的過程如下:首先選擇寄生同帶的位置為2.5倍中心頻率附近，確定Wc=2mm，Wt=0.7mm;因為需要設(shè)計的中心頻率為1.6GHz，選擇Sc=0.2mm，Lt=7.28mm，通過調(diào)整Lc的長度來使濾波器的中心頻率達到設(shè)計的要求;該濾波器的相對帶寬沒有要求，選擇S=0.2mm;最后調(diào)整G的大小使得濾波器的駐波達到一定要求。因此濾波器設(shè)計中所需要調(diào)整的參數(shù)主要有兩個:決定濾波器中心頻率的Lc，和決定濾波器駐波的G。

利用圖7的電路模型，可以計算出Lc的長度與中心頻率的關(guān)系如圖8。

可見當Lc長度在6.45mm附近時，中心頻率為1.6GHz。此時取Lc=6.45mm，根據(jù)經(jīng)驗估計G的取值范圍介于1-3mm之間，圖9給出了G分別取1、2、3mm時的仿真結(jié)果。

從圖9可以看出G的大小的選擇需要從對濾波器S11/S22參數(shù)中選擇出較為理想的值的確定，這里選擇G=1.8。

根據(jù)以上的參數(shù)選擇，設(shè)計出濾波器進行比較，其比較結(jié)果如圖10和圖11所示。

從圖10和圖11的比較結(jié)果可以看出，濾波器的帶內(nèi)插損、駐波情況和寄生同帶位置的仿真結(jié)果和實測結(jié)果吻合得較好。而實測濾波器的中心頻率比仿真結(jié)果偏高約30MHz;實測的濾波器帶寬約100MHz，而仿真的設(shè)計帶寬為130MHz;并且實測的濾波器在低頻邊帶內(nèi)有一個諧振點使得濾波器的低邊帶帶外抑制較高，實測的濾波器在高頻邊帶的抑制度較仿真結(jié)果略低一些。

5 結(jié)論

本文從耦合諧振器構(gòu)成的帶通濾波器設(shè)計過程出發(fā)，分析了三階半波長SIR濾波器的電路模型，并對該電路模型進行建模和仿真，最后以一個L波段微帶SIR濾波器為例，對其設(shè)計過程進行了詳細的研究，比較了電路模型仿真結(jié)果和實測結(jié)果的區(qū)別。測試結(jié)果表明利用SIR濾波器電路模型仿真濾波器這種設(shè)計方法具有較高的準確性。

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