申呈潔,錢國明

（南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

近年來，隨著微波、毫米波通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，新型通信設(shè)備向電子設(shè)備提出了更高更具體的要求，尤其是對(duì)濾波器和多工器。濾波器是現(xiàn)代微波、毫米波通信技術(shù)中極其重要的部分，它在微波、毫米波通信、微波導(dǎo)航、遙測遙控、衛(wèi)星通信等多個(gè)領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色，其性能的優(yōu)劣往往會(huì)直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)質(zhì)量。隨著微波、毫米波技術(shù)的迅速發(fā)展，迫切需要研制具有低損耗、寬阻帶帶寬、高選擇性、結(jié)構(gòu)緊湊等特性的微波濾波器[1]。

平行耦合線濾波器、梳狀線濾波器和交指濾波器等都是微帶濾波器常采用的形式，但這些形式的濾波器往往存在著各自的缺陷。例如平行耦合線濾波器由于各平行耦合節(jié)在一個(gè)方向上級(jí)聯(lián)，故尺寸較大。梳狀線濾波器和交指濾波器則需要接地過孔，這樣在高頻情況下就會(huì)不可避免地引入誤差，以上因素限制了這些形式的推廣應(yīng)用。微帶發(fā)夾型諧振器作為一種常見的諧振器，通過適當(dāng)?shù)鸟詈贤負(fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的濾波器可以看成是諧振腔濾波器在平面的應(yīng)用特例。它一方面結(jié)構(gòu)比較緊湊，減小了尺寸、重量和成本；另一方面不需要接地，消除了過地孔引入的誤差，比平行耦合線濾波器和梳狀線交指濾波器有更好的電性能，因而在微波平面電路中使用較多[2]。

在一個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)射頻信號(hào)頻率與中頻信號(hào)頻率的關(guān)系為N:1，在進(jìn)行解調(diào)時(shí)，射頻信號(hào)及本振信號(hào)會(huì)作為高次諧波混入中頻信號(hào)，對(duì)中頻信號(hào)產(chǎn)生干擾。因此在進(jìn)行微帶濾波器的設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)高次諧波進(jìn)行有效抑制，使之對(duì)中頻信號(hào)不產(chǎn)生影響，才能達(dá)到通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

現(xiàn)有的對(duì)于帶通濾波器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行有效抑制的方法有以下幾種：

1)在帶通濾波器后加上低通濾波器或帶阻濾波器；

2)采用矩形調(diào)諧短截線的共面波導(dǎo)饋入電容微帶折疊L型槽天線結(jié)構(gòu)[3]；

3)引入阻抗階梯跳變的階躍阻抗諧振器[4]；

4)在傳統(tǒng)平行耦合濾波器末端加載開路短截線[5]；

5)采用兩種具有雙等效電路的諧振器[6]；

6)利用電磁帶隙結(jié)構(gòu)的阻帶特性[7]。

這幾種電路雖然已經(jīng)展示出一些優(yōu)良的諧波抑制特性，但其設(shè)計(jì)過程比較復(fù)雜且諧波抑制效果一般。文中提出了一種用于抑制高次諧波的微帶發(fā)夾型濾波器，通過在傳統(tǒng)發(fā)夾濾波器結(jié)構(gòu)之后采用短路短截線與高次諧波四分之一波長開路短截線并聯(lián)諧振的結(jié)構(gòu)，能夠在不影響中頻信號(hào)情況下，很好的抑制高次諧波帶來的干擾。并采用微帶徑向短截線(MRSTU)擴(kuò)大抑制諧波帶寬，實(shí)現(xiàn)高次諧波寬帶抑制，并可進(jìn)行諧波次數(shù)選擇性抑制。

1 發(fā)夾濾波器的設(shè)計(jì)

發(fā)夾型濾波器是由發(fā)夾型諧振器并排排列耦合而成，設(shè)單元電路的矩陣A為：

其中Z0e為耦合微帶線奇模特性阻抗，Z0o為耦合微帶線偶模特性阻抗，θ為耦合微帶線電長度。將該單元等效成一個(gè)導(dǎo)納倒置轉(zhuǎn)換器J和其兩邊的電長度為θ的兩段傳輸線，特性導(dǎo)納為。所示結(jié)構(gòu)如圖1所示。

因此可得：

由于微帶線耦合單元與等效電路單元的A矩陣相等，則可求得奇偶模特性阻抗為:

圖1 諧振器結(jié)構(gòu)單元Fig.1 Resonator structure unit

gi為低通原型濾波器元件值[8]。

由公式(3)、(4)可確定發(fā)夾型濾波器耦合單元的奇偶模參數(shù)Z0e和Z0o。得到奇偶模參數(shù)之后，即可求得微帶線條寬度、微帶線間距、以及微帶線條的長度。應(yīng)用ADS對(duì)所得參數(shù)進(jìn)行仿真，原理圖如圖2所示。

圖2 發(fā)夾濾波器原理圖Fig.2 Hairpin filter

通過仿真及優(yōu)化可得此發(fā)夾濾波器參數(shù)，如圖3所示。

由圖3可知，2G信號(hào)衰減為0.759 dB，8G信號(hào)衰減為4.479 dB，10G信號(hào)衰減為3.911 dB，可見8G及10G的高次諧波對(duì)2G中頻產(chǎn)生了很大干擾，這將對(duì)下一步進(jìn)行信號(hào)解調(diào)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此需對(duì)高次諧波進(jìn)行有效抑制，才能達(dá)到系統(tǒng)有效性能。

2 新型諧波抑制結(jié)構(gòu)及原理

針對(duì)圖3所示的8G與10G高次諧波，若要濾除8G諧波，需先在發(fā)夾濾波器后加上一段8G的四分之一波長開路短截線。已知終端有載傳輸線的輸入阻抗：

圖3 發(fā)夾濾波器參數(shù)仿真圖Fig.3 S(2,1)of hairpin filter

其中 β=2π/λ 。 當(dāng) d=λ/4 時(shí)有：

因?yàn)樗姆种徊ㄩL開路短截線ZL=∞，則Zin=0，等效于短路接地，因此8G信號(hào)被抑制[9]。

這里開路短截線起到了陷波的作用，將電路中8G的無用信號(hào)濾除。由于要求在2G處通帶保持良好，因此須建立一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在無線電技術(shù)中，通常應(yīng)用并聯(lián)電路諧振時(shí)呈現(xiàn)阻抗最大的特點(diǎn)來進(jìn)行選頻?？紤]到開路短截線等效于電容，短路短截線等效于電感，兩者并聯(lián)等效于構(gòu)成了一個(gè)LC諧振電路。

由于諧振電路中電感感抗值與電容容抗值大小相等，相位相反，即ZL≈-ZC。則可得諧振電路總阻抗Z=∞。由于2G發(fā)夾濾波器輸出阻抗為50Ω，當(dāng)并聯(lián)諧振阻抗Z后阻抗仍為50Ω。因此這種結(jié)構(gòu)在有效抑制8G信號(hào)前提下，對(duì)2G中頻信號(hào)不產(chǎn)生影響。根據(jù)并聯(lián)諧振原理建立原理圖并進(jìn)行仿真優(yōu)化，諧波抑制原理圖及仿真數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。

圖4 8G諧波抑制原理圖Fig.4 8G harmonic suppression

圖5 8G諧波抑制圖Fig.5 8G harmonic suppression

由圖5所示，2G信號(hào)衰減為0.821 dB，8G信號(hào)衰減為47.658 dB，可見通過此結(jié)構(gòu)可在不影響2G信號(hào)的前提下，有效的抑制了8G諧波。根據(jù)抑制8G諧波的原理，對(duì)10G信號(hào)做相同處理，即可完成對(duì)10G諧波的有效抑制。

由于諧波四分之一波長開路短截線是固定的，要使諧振電路諧振于2G，從而對(duì)2G信號(hào)不產(chǎn)生影響，因此必須通過改變短路短截線長度，使用ADS進(jìn)行優(yōu)化，使其諧振于2G。

在使用ADS進(jìn)行優(yōu)化仿真后，發(fā)現(xiàn)使用直微帶短截線效果沒有達(dá)到諧波寬帶抑制要求。這時(shí)選用MRSTUB，即微帶徑向短截線來代替直微帶短截線。直微帶短截線具有較高的Q值，所以它適合在頻帶較窄的情況下使用，而微帶徑向短截線MRSTUB具有比直微帶短截線在更寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低Q值的優(yōu)點(diǎn),更加適合在寬頻帶中使用[10]。通過對(duì)MRSTUB的寬度、長度、張開的角度值分別進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)在微帶徑向短截線與短路短截線之間串上一段微帶線，并調(diào)節(jié)微帶線長度可以更加有效的降低諧振電路Q值，擴(kuò)大抑制諧波帶寬。仿真原理圖及結(jié)果如圖5、6所示。

圖6 高次諧波抑制原理圖Fig.6 of high harmonics

仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖6所示，2G信號(hào)衰減達(dá)到0.955 dB，8G信號(hào)衰減達(dá)到44 dB，10G信號(hào)衰減達(dá)到了65 dB。即在不影響2G信號(hào)的前提下，高次諧波被有效進(jìn)行了寬帶抑制，寬帶達(dá)到200MHz。在對(duì)高次諧波進(jìn)行寬帶抑制的同時(shí)，采用此結(jié)構(gòu)可進(jìn)行諧波次數(shù)可選，即可有針對(duì)性的對(duì)某一諧波進(jìn)行寬帶抑制，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖7 高次諧波抑制圖Fig.7 High harmonic suppression

3 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)發(fā)夾濾波器[11-12]中混入的高次諧波干擾問題，本文提出了一種采用短路短截線與高次諧波四分之一波長開路短截線并聯(lián)諧振的方法。在不影響中頻信號(hào)的前提下，可對(duì)高次諧波進(jìn)行有效抑制。同時(shí)通過在開短路支節(jié)之間串聯(lián)一段微帶徑向短截線線，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的寬帶抑制。利用ADS進(jìn)行仿真優(yōu)化，仿真結(jié)果表明此系統(tǒng)可在將中頻信號(hào)衰減保持在1 dB內(nèi)，并將高次諧波衰減抑制于40 dB以下。這種新型的微帶發(fā)夾濾波器在結(jié)構(gòu)和性能上都有較大的優(yōu)勢，可應(yīng)用于多種微波通信系統(tǒng)中。

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