文/馬文濤 李宏軍

從通信系統(tǒng)到射電天文，濾波器是必不可少的微波元件，幾乎所有的微波接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和微波試驗(yàn)裝備都要求具有濾波的功能。常用的濾波器是反射式濾波器，是通過(guò)把不需要的頻率成分的能量反射回信號(hào)源而達(dá)到濾波的目的，實(shí)現(xiàn)頻率選擇功能。

然而，某些場(chǎng)合卻需要使用吸收式濾波器，將帶外能量吸收掉。例如，吸收式濾波器用在大功率發(fā)射機(jī)上，以保護(hù)大功率管，使之避免由反射能量所引起的有害諧振。高增益的放大器在測(cè)試環(huán)境下絕對(duì)穩(wěn)定，但在封裝環(huán)境下帶外信號(hào)會(huì)引起不必要的反饋，使得放大器變得不穩(wěn)定，而吸收式濾波器的使用將避免此問(wèn)題的發(fā)生。吸收式濾波器主要作用是將干擾信號(hào)，尤其是高頻干擾信號(hào)的電磁能量轉(zhuǎn)化為熱能由吸收負(fù)載消耗掉，進(jìn)而達(dá)到濾波效果。吸收式濾波器主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是從單端原型出發(fā)，以雙工器或多工器的形式組合導(dǎo)納曲線互補(bǔ)的不同濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)通帶和阻帶的全匹配。另一類(lèi)是兩個(gè)反射式濾波器與兩個(gè)3dB 定向耦合器相組合，使阻帶內(nèi)反射的能量被耦合吸收。本文設(shè)計(jì)新型吸收式濾波器具有體積小、易與有源器件集成，一致性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 吸收式低通濾波器芯片的設(shè)計(jì)

本文采用奇模偶模理論分析得到吸收式濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原型 ，對(duì)于一個(gè)對(duì)稱(chēng)的兩端口網(wǎng)絡(luò)，如果兩個(gè)端口采用等幅同相的信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，稱(chēng)之為偶模激勵(lì)。此時(shí)對(duì)稱(chēng)平面可視為理想導(dǎo)磁面，兩端口網(wǎng)絡(luò)關(guān)于該平面完全對(duì)稱(chēng)，可以對(duì)其任一半進(jìn)行分析，圖1為偶模激勵(lì)形成的單端口網(wǎng)絡(luò)，輸入反射系數(shù)稱(chēng)為偶模反射系數(shù)，用Γe表示，即Γ1=Γe。

圖1：偶模激勵(lì)以及單端本征網(wǎng)絡(luò)

圖2：奇模激勵(lì)以及單端本征網(wǎng)絡(luò)

圖3：?jiǎn)喂?jié)吸收式濾波器拓?fù)鋱D

反之兩個(gè)端口采用等幅反相的信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)稱(chēng)為奇模激勵(lì)。此時(shí)對(duì)稱(chēng)平面可視為理想導(dǎo)電面，兩端口網(wǎng)絡(luò)關(guān)于該平面完全對(duì)稱(chēng)，同樣可以取其中的一半來(lái)進(jìn)行分析，如圖2所示。對(duì)于奇模激勵(lì)形成的單端口網(wǎng)絡(luò)，輸入反射系數(shù)稱(chēng)之為奇模反射系數(shù)，用Γ0表示，Γ1=Γ0。

所以，對(duì)稱(chēng)可逆二端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣可表示為：

奇偶模分析的方法是通過(guò)把一個(gè)對(duì)稱(chēng)二端口網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)單端口本征網(wǎng)絡(luò)分析研究，求解本征值的方法，從而使得求解過(guò)程大為簡(jiǎn)化。

同理，可以采用上述方法，可以把對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)的阻抗矩陣寫(xiě)為：

圖4：?jiǎn)喂?jié)吸收式濾波器電路結(jié)構(gòu)

圖5：?jiǎn)喂?jié)吸收式濾波器仿真曲線

圖6：吸收式濾波器與反射式濾波器幅頻特性對(duì)比

圖7：吸收式濾波器芯片照片(2.8mm×1mm×0.1mm)

圖8：吸收式濾波器仿真與測(cè)試曲線對(duì)比

式中Ze和Zo分別為偶模和奇模單端口本征網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗。Ze、Zo也即為終端開(kāi)路和短路狀態(tài)下單端口本征網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗。

通過(guò)上述分析，以及一系列的變換可以得到吸收式低通濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 吸收式低通濾波器芯片的實(shí)現(xiàn)

本文我們采用70um的GaAs工藝進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)，考慮到濾波器性能指標(biāo)以及芯片尺寸等綜合因素元件實(shí)際采用螺旋電感與薄膜電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)合理設(shè)置濾波器元件的初值，然后通過(guò)優(yōu)化完成最終的設(shè)計(jì)。

電路結(jié)構(gòu)以及仿真曲線分別如圖4、圖5所示。

3 吸收式低通濾波器芯片的仿真與測(cè)試結(jié)果分析

如圖6、圖7和圖8，由仿真和芯片測(cè)試曲線可以看到，在DC～10GHz頻率范圍內(nèi)仿真與測(cè)試結(jié)果吻合較好，吸收式低通濾波器在DC～3G頻率范圍內(nèi)電壓駐波比小于1.2，12倍頻抑制大于40dB，相比于普通的反射式濾波器，此吸收式低通濾波器在DC～12G的頻率范圍內(nèi)駐波比小于2，同時(shí)遠(yuǎn)端寄生通帶以及本底抑制均優(yōu)于同頻段反射式濾波器。

4 結(jié)論

本文簡(jiǎn)單介紹了吸收式濾波器基本理論以及分析方法，并設(shè)計(jì)了一款L波段的吸收式低通濾波器，設(shè)計(jì)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)方案的可行性，同時(shí)也為吸收式濾波器的設(shè)計(jì)者們提供了一種可以參考借鑒的方案。