設(shè)計(jì)一個(gè)具有高的鏡像抑制特性的平面濾波器

高抑制濾波器在接收器和其他系統(tǒng)中往往是有益的，在那里必須去除掉無用信號(hào)鏡像而不對所要的信號(hào)產(chǎn)生干擾。通過以下的簡單辦法，使得設(shè)計(jì)平面濾波器用于更高的微波頻率成為可能。該技術(shù)依靠的是傳輸零點(diǎn)的定位，從而選擇性地抑制無用的鏡像。這一方法還提供了對雜散二次諧波信號(hào)的高抑制。為了說明這一技術(shù)，通過設(shè)計(jì)和制作一個(gè)小型Ku波段濾波器來加以闡述，該濾波器在計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)測結(jié)果之間具有良好的一致性。

具有高抑制的濾波器在許多高頻系統(tǒng)中是非常重要的模塊組件，這些系統(tǒng)需要對無用的鏡像信號(hào)進(jìn)行抑制?？梢酝ㄟ^采用交叉耦合結(jié)構(gòu)來制作高抑制濾波器，其中在不相鄰諧振器之間的交叉耦合產(chǎn)生了改善幅度衰減的傳輸零點(diǎn)。但是，采用這種方法來設(shè)計(jì)平面濾波器將需要四個(gè)諧振器，才能達(dá)到良好的衰減特性，由于有多個(gè)諧振器產(chǎn)生了高的插損。

通過設(shè)計(jì)傳統(tǒng)帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)高鏡像抑制和低插損是可能的，例如叉指型、發(fā)夾型、終端耦合以及空腔配置等。例如，空腔濾波器提供了高抑制，但往往很笨重，難以與微波集成電路(MIC)進(jìn)行集成。終端耦合和發(fā)夾型濾波器微波頻段最為常用，但往往還是很大，并且需要越來越多的諧振器。此外，這些帶通濾波器的類型表現(xiàn)出不良的二次諧波信號(hào)成分。本文所提出濾波器設(shè)計(jì)方法通過最小的耦合部件利用簡單的基于諧振器的緊湊結(jié)構(gòu)克服了上述問題。它對傳輸零點(diǎn)有很好的控制，從而達(dá)到理想的抑制水平。

通過控制傳輸零點(diǎn)的位置是有可能設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)而高效的帶通濾波器的。通常，這種結(jié)構(gòu)在較低頻率提供了低的衰減，但在某個(gè)截止頻率以上增加了衰減，在無限高頻率處具有零傳輸。為了對傳輸零點(diǎn)的工作有更好地理解，設(shè)想如圖1所示的五階低通濾波器。在無限高頻率處，每個(gè)電感成為開路，而每個(gè)電容器成為短路。圖1所示的濾波器在無限頻率處有五個(gè)傳輸零點(diǎn)。同樣，一個(gè)五階高通濾波器在無限低頻(直流)處有五個(gè)傳輸零點(diǎn)。要承認(rèn)帶通濾波器傳輸零點(diǎn)的數(shù)量是有所不同的，這可以通過考慮如圖2所示的三階帶通濾波器來解釋說明。

在直流，串聯(lián)電感和并聯(lián)電容沒有影響。在直流，有三個(gè)傳輸零點(diǎn)。在頻率無限處，串聯(lián)電容和并聯(lián)電感消失，并且有三個(gè)傳輸零點(diǎn)。在帶通濾波器結(jié)構(gòu)中，在直流傳輸零點(diǎn)的數(shù)量決定了濾波器通帶以下的選擇性；在頻率無限處傳輸零點(diǎn)的數(shù)量決定了濾波器在通帶以上的選擇性。如果濾波器在直流和頻率無限處有相同數(shù)量的傳輸零點(diǎn)，其傳輸響應(yīng)是不對稱的。在直流和頻率無限處設(shè)計(jì)具有相同數(shù)量傳輸零點(diǎn)的濾波器是沒有必要的；如果在通帶以上比通帶以下要求更多的衰減，那么可以設(shè)計(jì)通帶響應(yīng)比無限頻率處有更多數(shù)目的傳輸零點(diǎn)。

除直流和無限頻率處，在其他頻率還可以引入傳輸零點(diǎn)，從而形成濾波器響應(yīng)?？梢酝ㄟ^增加諧振器來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，無論在通帶以前或以后或是或通帶的兩側(cè)，這些諧振器在所需頻率處提供了傳輸零點(diǎn)。

為了說明平面濾波器設(shè)計(jì)方法的使用，將設(shè)計(jì)和制作一個(gè)濾波器的實(shí)例。設(shè)計(jì)目標(biāo)是一個(gè)相對狹窄的帶通濾波器，其中心在14.5GHz處，在鏡像頻率具有超過40dB的抑制，例如在13.0和16.7GHz。該濾波器還表現(xiàn)出最小通帶插損。該簡單結(jié)構(gòu)主要是在其開口端處有兩個(gè)面對面的諧振器，如圖3所示。每個(gè)發(fā)夾型諧振器是中心頻率的半波長，并且利用不對稱饋電線進(jìn)行抽頭。可以利用簡單公式對該抽頭的位置進(jìn)行計(jì)算：

通過這種形式排列的兩個(gè)發(fā)夾型諧振器獲得了帶通濾波器的行為，這二者在結(jié)構(gòu)的開口端。該諧振器是由傳輸線長度的電感(L1和L2)和間隙電容(S)組成的。最小的耦合間隙(其確定了諧振器的電容)比傳統(tǒng)的耦合端或是發(fā)夾型濾波器結(jié)構(gòu)控制起來要容易得多。輸入和輸出的抽頭位置在所要求的頻率增加了傳輸零點(diǎn)，從而控制抑制。圖4表示了不同的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是作為實(shí)例濾波器以及不同結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果如圖5所示。

對結(jié)構(gòu)1和2進(jìn)行仿真，并加以改變來適應(yīng)抽頭點(diǎn)的位置，而采用增加諧振器之間間隙的寬度來對結(jié)構(gòu)3進(jìn)行仿真。圖5的仿真表示了隨著輸入和輸出之間失調(diào)的增加，兩個(gè)傳輸零點(diǎn)看起來接近通帶，在通帶附近提供了高選擇性。然而，這可能導(dǎo)致過耦合條件。由抽頭位置所造成的，除耦合效應(yīng)外，耦合間隙S還影響了兩個(gè)諧振器之間的耦合。從圖5的仿真，可以看到耦合間隙的增加導(dǎo)致了更好的品質(zhì)因數(shù)(Q)。因此，為避免過耦合條件，應(yīng)慎重選擇抽頭位置和間隙大小。一旦確定了抽頭位置，對所要求的濾波器響應(yīng)，耦合間隙(S)能得以優(yōu)化。

在氧化鋁陶瓷基板上制作原型濾波器，其具有介質(zhì)常數(shù)9.8和10mil的厚度。采用來自安捷倫科技公司的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)工具的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)套件平面電磁場(EM)仿真器Momentum來實(shí)現(xiàn)仿真。采用來自安捷倫科技公司的PNA系列網(wǎng)絡(luò)分析儀來測試所制作濾波器的特性。

測量結(jié)果(圖6)與仿真結(jié)果比較接近。原型濾波器通帶中于仿真相比多出的1dB插損可以用連接器和輻射損耗(不包括在仿真中)來解釋。測量結(jié)果表明在13.0和16.7GHz間所要求頻率上有超過45dB的優(yōu)良帶外抑制，并且在較低頻率有優(yōu)于30dB的抑制。濾波器的測量回波損耗要優(yōu)于20dB，具有低于10dB的二次諧波。

此處涉及的這一濾波器設(shè)計(jì)方法簡單地實(shí)現(xiàn)并提供了高抑制而沒有不良耦合。該設(shè)計(jì)技術(shù)非常適合于制造鏡像抑制濾波器，這些濾波器適用于那些在乘法器和其它器件中要求鏡像信號(hào)抑制的應(yīng)用；該設(shè)計(jì)方法還提供了用于放大器和頻率源的優(yōu)良二次諧波抑制。該技術(shù)通過增加諧振器的數(shù)目實(shí)現(xiàn)了更高水平的抑制。

發(fā)布者：小宇