盧 頔，文繼國

（成都信息工程學(xué)院 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225）

無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展對(duì)微波射頻器件的要求與日俱增。濾波器作為一種重要的微波器件，在強(qiáng)調(diào)低插損、高帶外抑制、良好的帶內(nèi)平坦度等的同時(shí)，對(duì)小型化、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于集成更是當(dāng)今微帶濾波器的發(fā)展趨勢(shì)。尺寸小、選擇性高的階躍阻抗濾波器 （Stepped Impedance Resonator filters）常用于VHF、L、S波段以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻阻抗濾波器（Uniform Impedance Resonator filter），以實(shí)現(xiàn)濾波器小型化[1]。

文中簡要闡述發(fā)夾形半波長SIR濾波器的原理，并且通過電磁場仿真軟件HFSS設(shè)計(jì)L波段2個(gè)同一指標(biāo)而不同尺寸的三階發(fā)夾形半波長SIR濾波器，通過優(yōu)化確定其基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后通過加工實(shí)物并測(cè)量。測(cè)試結(jié)果和理論設(shè)計(jì)具有良好的一致性。之后，將類似的設(shè)計(jì)方法用于設(shè)計(jì)930 MHz的SIR濾波器，并將其用于實(shí)際的從465 MHz獲得930 MHz輸出信號(hào)的倍頻器電路中獲得良好的性能指標(biāo)。

1 基本理論

圖1為半波長SIR的基本結(jié)構(gòu)，其中阻抗比為Rz=Zp/Zs，兩端傳輸線特性阻抗為Zp，電長度為 θp=arctan（Zptanθs/Zs）的傳輸線它等效為電容值為C=tanθs/Z1ω0的電容，其中ω0為諧振角頻率。這種改進(jìn)結(jié)構(gòu)的諧振器在保證無載品質(zhì)因數(shù)Q不變的情況下，不僅使得諧振器電路尺寸可以隨意改變，也讓諧振器的寄生雜散頻率點(diǎn)可調(diào)[1-3]。

利用以上參數(shù)使用文獻(xiàn) [4]中介紹的方法推導(dǎo)出ABCD矩陣[4]：

由耦合線部分ABCD矩陣：

及單一傳輸線部分ABCD矩陣：

則可得到諧振條件為：

令：θpe=θpo=θp， 以及諧振內(nèi)部耦合系數(shù)kc=（Zpe-Zpo）/（Zpe+Zpo），則諧振條件簡化為：

圖1 半波長SIR和發(fā)卡型SIR的電長度以及物理尺寸Fig.1 Dimensions and electrical length of half the wavelength SIR and the hairpin SIR

通過對(duì)SIR單一耦合線中心點(diǎn)的電壓，電流分析，得到其奇偶模諧振描述，獲得基本諧振關(guān)系[1]：

公式（5）用以確定基本諧振頻率，公式（6）用以確定第一寄生諧振頻率。

第一寄生諧振頻率計(jì)算公式為

fo為諧振基頻。

諧振器之間的級(jí)間耦合系數(shù)是決定濾波器性能指標(biāo)的一個(gè)重要參數(shù)，發(fā)卡形半波長SIR濾波器級(jí)間耦合主要分為磁耦合，電耦合，以及混合耦合[5]，其級(jí)間混合耦合系數(shù)為

輸入輸出加載品質(zhì)因數(shù)反應(yīng)的是輸入輸出匹配其關(guān)系式：

插損、諧振階數(shù)以及無載品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系[6]為：

輸入輸出抽頭位置決定濾波器的輸入輸出阻抗，經(jīng)驗(yàn)公式為

式中 L=λg/4，Z0=50 Ω，Zr為發(fā)卡型平面濾波器傳輸線上的特性阻抗。

2 濾波器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)指標(biāo)：中心頻率f0=1 GHz，相對(duì)帶寬約5%，在偏離中心頻率100 MHz的頻點(diǎn)上，抑制度25 dB，通帶內(nèi)插損小于3 dB。采用的Rogers的介質(zhì)板，其介電常數(shù)εr=10.2厚度為H=0.635 mm介質(zhì)板覆銅0.5盎司。

設(shè)置特性阻抗 Zs=49.34 Ω，Zpo=23.08 Ω，Zpe=16.88 Ω，θs=64.6°諧振內(nèi)部耦合k=0.16，利用公式（7）計(jì)算雜散諧振頻率fSB1≈2.7 f0。利用HFSS對(duì)諧振器建模進(jìn)行優(yōu)化然后再對(duì)三階SIR濾波器進(jìn)行優(yōu)化如圖2所示。

圖2 SIR濾波器A的HFSS建模、仿真與實(shí)測(cè)Fig.2 Modeling，simulation and measurement of SIR filter Ausing HFSS

優(yōu)化后獲得電長度對(duì)應(yīng)實(shí)際長度lc=8.3 mm，l1=8.9 mm，l2=4mm，抽頭位置t=0.2mm，阻抗對(duì)應(yīng)寬度ws=0.6mm，wc=2.5 mm，兩邊縮進(jìn)尺寸wx=0.2 mm，諧振器內(nèi)部耦合細(xì)縫s=2.2 mm。對(duì)濾波器進(jìn)行加工測(cè)試并與仿真結(jié)果對(duì)比如圖2所示。

測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果有30 M左右頻偏，通過微調(diào)覆銅結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行修正后濾波器達(dá)到所需指標(biāo)，插損優(yōu)于3.5 dB，900 MHz和1 100 MHz處抑制度都在30 dB左右，反射系數(shù)小于-14 dB，寄生通帶出現(xiàn)在約2.7 GHz。

為了設(shè)計(jì)指標(biāo)相同但寬度更小的濾波器，設(shè)計(jì)時(shí)使用了相同的阻抗比，同時(shí)將單一傳輸線與平行耦合線部分的阻抗減小為 Zs=39 Ω，Zpe=17.5 Ω，Zpo=13.6 Ω，按上述同樣的方法獲得三階濾波器尺寸lc=l1=8.4 mm，l2=5.2 mm，t=0.2 mm，ws=1 mm，wc=3.5 mm，s=0.2 mm，兩邊縮進(jìn)尺寸wx=0.2 mm。仿真結(jié)果、測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 SIR濾波器B的HFSS建模、仿真與實(shí)測(cè)Fig.3 Modeling，simulation and measurement of SIR filter Busing HFSS

濾波器達(dá)到性能指標(biāo)基本相同，帶內(nèi)插優(yōu)于3 dB，900 MHz和1.1 GHz抑制度在30 dB左右，帶內(nèi)反射基本在-15 dB以下，寄生通帶出現(xiàn)在2.75 GHz左右，并且濾波器較前一濾波器長度有所增加而寬度有所減小。

3 倍頻鏈路設(shè)計(jì)

濾波器所具有的頻率選擇和諧波抑制特性，是倍頻器電路設(shè)計(jì)中必不可少的器件之一。利用中心頻率為f0=930 MHz的SIR濾波器，提取二次諧波完成倍頻鏈路設(shè)計(jì)，方案如圖4所示。

二倍頻器使用的是Mini Circuit公司的集成單片倍頻器AMK-2-13+，輸入頻率為465 MHz，功率為10 dBm的信號(hào)時(shí)，倍頻損耗約為12.5 dB，對(duì)基波和三次、四次諧波的輸出為-33 dBc、-39 dBc、-25.5 dBc。單個(gè)SIR濾波器帶內(nèi)損耗約為2 dB，線路損耗約為1 dB，所以倍頻總損耗為18 dB。

SGA3586為RFMD公司的單片集成HBT增益放大器。在930 MHz的增益約為 22 dB，1 dB壓縮點(diǎn)在13 dBm，理論輸出功率應(yīng)該大于11 dBm。

圖4 二倍頻鏈路方案和電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Design and structure of the frequency doubler

465 MHz信號(hào)用R&S公司的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，其功率大小為10 dBm，電路輸出測(cè)得12 dBm，無窄帶雜散動(dòng)態(tài)范圍大于-80 dBc主要為信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的窄帶內(nèi)雜波，二次諧波也通過SIR濾波器的特殊頻率寄生通帶，抑制在-50 dBc，三次諧波在濾波器的寄生通帶內(nèi)，但是也抑制在-30 dBc以上。對(duì)輸出信號(hào)的相位噪聲測(cè)量得到結(jié)果為倍頻器相位噪聲惡化6 dB與理論值一致。測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 倍頻信號(hào)輸出功率、雜散和相噪的測(cè)量Fig.5 Measured power，spurs and phase noise of the frequency multiplier output

4 結(jié) 論

文中完整的設(shè)計(jì)了2個(gè)發(fā)卡形帶通SIR濾波器和一路倍頻鏈路，并且達(dá)到預(yù)期指標(biāo)?？梢奡IR濾波器在平面濾波器領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景，尺寸可調(diào)，寄生通帶可調(diào)等特性使其在VHF、L、S波段的平面濾波器中有很大優(yōu)勢(shì)。SIR結(jié)構(gòu)應(yīng)用于存在整數(shù)倍諧波的電路系統(tǒng)中，能夠改善其諧波響應(yīng)，對(duì)類似倍頻器等電路是首選的濾波器結(jié)構(gòu)。

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