夏運強, 唐 濤, 陳釘均

(1.成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院,四川成都610225;2.四川省高等學(xué)校數(shù)值仿真重點實驗室,四川內(nèi)江641112)

1 引言

濾波器是無線通信中的一種關(guān)鍵部件,隨著航天、雷達和通信技術(shù)的發(fā)展,對濾波器提出了小型化、寬頻帶、低插損等要求。目前實現(xiàn)濾波器小型化主要手段主要有：利用微波有源電路做成微波單片集成(MMIC)有源濾波電路;采用高介電常數(shù)材料減小傳導(dǎo)波長,進而減小諧振器長度。在當前情況下,這2種方法均難實現(xiàn)帶內(nèi)插損低帶外抑制高的要求[1]。

文中將采取改進濾波器傳輸線的方法。若采用腔體結(jié)構(gòu),濾波器尺寸太大;若采用標準微帶線結(jié)構(gòu),其插損又將增大。而采用懸置微帶傳輸線的方式,將有效減小濾波器尺寸,降低其插入損耗,并且采用終端開路的交指結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)濾波器的寬頻帶設(shè)計要求。把懸置微帶線等效成帶狀線,在此基礎(chǔ)上設(shè)計出終端開路的交指濾波器結(jié)構(gòu),最后利用電磁場全波仿真軟件,對設(shè)計出的濾波器的電磁特性進行了具體分析。

2 懸置微帶交指濾波器設(shè)計原理

2.1 帶狀線理論

在微波濾波器中最常用的帶狀線,是所謂“對稱帶狀線”(或稱“夾心線”),是由距離為 b的兩接地板和中心導(dǎo)帶(厚度為t,寬度為w)所組成[2,3],其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對于同一種均勻介質(zhì),矩形中心導(dǎo)帶的帶狀線的特性阻抗Z0與 t/b及w/b的大小有關(guān)。

2.2 懸置微帶線理論

懸置微帶線是將導(dǎo)體帶條敷于薄介質(zhì)片上而懸掛在接地板上面的空間,如圖2所示。從圖示的結(jié)構(gòu)可知,這種微帶線的大部分電力線將集中在空氣中,因而介質(zhì)引入的影響小,整個空間的介電常數(shù)接近于1,在構(gòu)成耦合微帶線時,奇偶摸相速的不一致性也有所減小,傳輸線的Q值提高了,有利于用作濾波器、諧振腔等電路元件[4]。

圖1 帶狀線結(jié)構(gòu)

圖2 懸置微帶線結(jié)構(gòu)

若懸置微帶線結(jié)構(gòu)中的a+h=c,則懸置微帶線相當于填充了某種介質(zhì)的對稱帶狀線。在w＞＞h(即邊緣場的作用不大)時,可用下列公式計算介質(zhì)的有效介電常數(shù)[5]：

由a+h=c,a+h+c=b可得b=2c,那么根據(jù)式(1)可得

2.3 交指濾波器理論[2-3]

交指濾波器是指由平行耦合線諧振器陣交叉組成的結(jié)構(gòu),多用作慢波系統(tǒng)。但近年來研究表明,它具有優(yōu)良的帶通特性,具有如下優(yōu)點：(1)結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性高;(2)每諧振器間距較大,公差要求低,容易制造;(3)由于諧振桿長度近似等于1/4波長,所以第二通帶中心在3ω0以上,其間沒有寄生通帶;(4)既可作成印刷電路形式,又可作成腔體結(jié)構(gòu)。因此,交指濾波器在電子系統(tǒng),尤其在通信技術(shù)及近代航空航天領(lǐng)域中被廣泛使用。

終端開路交指濾波器如圖3所示,這種結(jié)構(gòu)從桿1到桿 n(包括兩終端桿在內(nèi))都是用作諧振器,因此對于n個電抗元件低通原型,只要n個桿就能實現(xiàn)。

終端開路交指濾波器結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)寬帶濾波器的設(shè)計要求,在交指濾波器中,由于桿端分布電容的影響,諧振器實際長度比1/4波長略短,如果人為地加強端電容,將使諧振器桿變得更短,而成為電容加載交指型濾波器。

2.4 終端開路交指濾波器的設(shè)計公式[2]

用變換式選定低通原型的元件數(shù)目 n,從而求出元件數(shù)值gk,ω′1。然后計算

圖3 終端開路濾波器結(jié)構(gòu)圖

接下來計算每個桿的歸一單位長自電容：

式中ε是介電常數(shù),εr是相對介電常數(shù)。h是導(dǎo)納比例因數(shù),選定它以得到方便的導(dǎo)納水平。

而兩相鄰桿間的歸一化單位長互電容可以通過下式進行計算：

需要說明的是,以上計算公式只適用于帶狀線濾波器。

3 濾波器設(shè)計過程

設(shè)計的濾波器主要針對應(yīng)用廣泛的S波段,其技術(shù)指標如下：通帶2-4GHz,中心頻率 f0=3GHz,相對帶寬BW=67%,帶內(nèi)插損小于1.5dB,在fs=5GHz處衰減大于40dB。濾波器采用懸置微帶傳輸線,結(jié)構(gòu)采用終端開路交指形式,傳輸函數(shù)采用切比雪夫型。

濾波器設(shè)計步驟如下：

(1)基片選取Roges4350,εr=3.48,厚度 h=0.508mm,銅箔厚度 t=0.018mm,下腔高度 a=2mm,則上腔高度c=a+h=2.508mm。

根據(jù)式(2)可得懸置微帶線的有效介電常數(shù)εe=1.08,這樣懸置微帶線就轉(zhuǎn)換為了帶狀線。

(2)用變換式確定濾波器階數(shù)n=7。

(3)根據(jù)終端開路交指濾波器設(shè)計公式,計算出懸置微帶線濾波器的初值如下：

桿長P=22.5mm,桿到腔壁距離d=1mm

各桿的寬度 W和各桿間的縫隙S分別為：W1=2.76mm,S12=0.15mm;W2=0.58mm,S23=0.80mm;W3=1.00mm,S34=0.90mm;W4=1.00mm。最終設(shè)計出的濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

(4)仿真驗證

采用美國Ansoft公司的HFSS對濾波器電磁特性進行三維電磁場仿真,HFSS采用的是有限元法(FEM),對于天線、濾波器等微波無源器件的仿真非常準確。圖5所示為HFSS仿真所得的濾波器傳輸特性曲線。從圖5可以看到,該濾波器在2-4GHz內(nèi)具有很好的帶通特性,在f≥5GHz時,其衰減已經(jīng)大于40dB,滿足設(shè)計要求。

圖4 濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖5 濾波器HFSS仿真曲線

4 濾波器的測試和分析

根據(jù)HFSS仿真結(jié)果加工出懸置微帶濾波器,濾波器整體尺寸為：30mm×30mm×20mm,如圖6所示。利用R&S矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVB20對設(shè)計出的濾波器進行測試,得到濾波器的S11和S21曲線,其結(jié)果如圖7所示。

從圖7也可以看出,濾波器已經(jīng)滿足了設(shè)計帶寬要求,帶內(nèi)插損小于1.5dB,5GHz處衰減為51dB,大于40dB的設(shè)計要求。由于加工的精度影響,實測的反射曲線比仿真結(jié)構(gòu)稍差一些,仿真的回波損耗12dB,實測的回波損耗10dB。如果拋開加工精度等人為因素的影響,實測所得的結(jié)果與仿真結(jié)果還是符合得很好的。

圖6 濾波器實物

圖7 濾波器實測曲線

5 結(jié)束語

介紹了懸置微帶濾波器的設(shè)計方法,根據(jù)這些方法,從理論分析和電磁仿真的角度設(shè)計出了一種新的具有交指結(jié)構(gòu)的懸置微帶線濾波器。實驗結(jié)果表明,這種濾波器具有小型化、寬頻帶、低插損的特點,在移動通信和微波通信領(lǐng)域中將有著十分廣泛的應(yīng)用前景。

致謝：感謝成都信息工程學(xué)院校選科研項目(CRF201102)對本文的資助。

[1]高戟,苗敬峰.一種新型懸置微帶濾波器設(shè)計[J].微波學(xué)報,1998,14(4)：360-365.

[2]黃慰.交指型帶通濾波器的設(shè)計與研究[D].成都：西南交通大學(xué),2004.

[3]馬行軍.交指型帶通濾波器的設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué),2007.

[4]J S Hong,M J Lancaster.Microstrip Filters for RF/Microwave Applications[M].New York：JOHN WILEY&SONS,INC,2001.

[5]Makimoto M,S Yamashita.Microwave Resonators and Filters for Wireless Communications-theory and Design[M].Berlin：Springer-Verlag,2001.