馬戰(zhàn)剛 余小輝 于英信

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 河北省石家莊市 050000）

隨著通信技術(shù)和各種無(wú)線系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，微波收發(fā)機(jī)輸出功率越來(lái)越大，對(duì)發(fā)射輸出端末級(jí)濾波器的插入損耗、耐受功率、阻帶抑制度、小型化等性能提出了更高的要求[1-4]。

目前微波系統(tǒng)中常用的濾波器均難以滿足以上要求，其特點(diǎn)如下：腔體濾波器、介質(zhì)濾波器耐受功率大、駐波小、帶外抑制度高，但體積較大，不能兼容微組裝工藝，使用范圍受限；MEMS 濾波器體積小，但插入損耗大，并且耐受功率難以達(dá)到W 級(jí)；聲表、FBAR 濾波器體積小，但插入損耗大、駐波差、適用頻率較低。本設(shè)計(jì)中的雙阻帶濾波器可同時(shí)兼具以上各濾波器優(yōu)點(diǎn)，滿足使用要求。

1 濾波器的理論分析與設(shè)計(jì)

1.1 阻帶設(shè)計(jì)

根據(jù)微帶線理論，微波帶阻濾波器和帶通濾波器一樣，是基于微波諧振器的諧振特性[5]進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的。圖1 為中心開路枝節(jié)加載諧振器示意圖，通過在一段傳輸帶線上并聯(lián)一段開路短截線構(gòu)成。

圖1：開路短截線等效電路

開路短截線輸入阻抗值為：

式中：Z1為開路短截線的特性阻抗；θ1為開路短截線的電長(zhǎng)度。

Zin=0 時(shí)，開路短截線對(duì)傳輸信號(hào)表現(xiàn)為抑制，產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)[6]，可以得出：

由上可得，濾波器設(shè)計(jì)時(shí)可先在微帶傳輸線上加載開路短截線，當(dāng)短截線電長(zhǎng)度達(dá)到1/4 波長(zhǎng)時(shí)，即可在對(duì)應(yīng)頻率位置產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)。通過調(diào)整短截線的長(zhǎng)度即可自由調(diào)整傳輸零點(diǎn)位置，達(dá)到對(duì)所需頻率進(jìn)行抑制的目的。通過仿真軟件對(duì)圖1 中短截線的頻率抑制特性進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2 所示。

圖2：傳輸零點(diǎn)仿真結(jié)果

由圖2 可知，單級(jí)開路短截線所產(chǎn)生的阻帶頻率帶寬較窄，阻帶抑制度也較低。增加開路短截線數(shù)量，調(diào)整短截線長(zhǎng)度使傳輸零點(diǎn)落在相近位置，可擴(kuò)寬阻帶帶寬，提高阻帶抑制度。多級(jí)開路短截線濾波器仿真模型和仿真結(jié)果見圖3(a)、圖3(b)。

圖3

1.2 雙阻帶濾波器設(shè)計(jì)

使用相同的方法，可在其它頻率位置產(chǎn)生阻帶，實(shí)現(xiàn)雙阻帶濾波器的設(shè)計(jì)。通過進(jìn)行優(yōu)化仿真，可得雙阻帶濾波器的最終模型，仿真模型和仿真結(jié)果見圖4(a)、圖4(b)。

圖4

由圖4 可知，濾波器通帶為8～10GHz，并且分別在中心頻率18GHz 和27GHz 處產(chǎn)生了阻帶，抑制度分別為60dBc 和50dBc。

1.3 加工測(cè)試結(jié)果

設(shè)計(jì)中采用了RT6002 電路板，相對(duì)介電常數(shù)2.94，板厚0.254mm。濾波器實(shí)際尺寸為7mm*4mm，加工實(shí)物如圖5 所示。另外設(shè)計(jì)了測(cè)試工裝，以便于對(duì)濾波器進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試。

圖5：雙阻帶濾波器實(shí)物圖

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)濾波器指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，圖6(a)、圖6(b)分別為濾波器S 參數(shù)與群時(shí)延測(cè)試結(jié)果。

圖6

從圖6 中可以看出濾波器通帶頻率為8～10GHz，帶內(nèi)插損小于0.2dB（濾波器測(cè)試損耗值0.26dB，輸入輸出連接器損耗0.1dB）；回波損耗為15dB；通帶內(nèi)群遲延0.1～0.2ns；雙阻帶抑制度分別為59dBc@17.5～18.5GHz、43dBc@26.5～27.5GHz，可有效對(duì)兩段阻帶頻率進(jìn)行抑制。將20W（43dBm）大功率信號(hào)加至濾波器輸入端，輸出功率為42.7dBm，濾波器大功率下插入損耗與小信號(hào)時(shí)測(cè)試結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本文通過在微帶傳輸線上加載開路短截線的方式設(shè)計(jì)了一款具有超低插入損耗、高阻帶抑制、大耐受功率的雙阻帶濾波器。濾波器通帶覆蓋8GHz～10GHz，阻帶范圍可通過改變開路短截線長(zhǎng)度進(jìn)行自由調(diào)整。

經(jīng)測(cè)試，該濾波器在20W 輸入功率時(shí)插入損耗0.2dB，雙阻帶抑制分別為59dB、43dB。此外，濾波器成本低、結(jié)構(gòu)緊湊，可在大部分微波收發(fā)機(jī)及相關(guān)工程中應(yīng)用。