一種新型微帶發(fā)夾帶通濾波器的設(shè)計(jì)

1 引言

微波帶通濾波器作為無線電通信和雷達(dá)系統(tǒng)中的關(guān)鍵無源器件,得到了廣泛的研究。現(xiàn)在應(yīng)用非常普遍的有波導(dǎo)濾波器、同軸濾波器、帶狀線濾波器和微帶濾波器等等。隨著無線電通信和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，加上無線電通信和雷達(dá)系統(tǒng)指標(biāo)要求的提高，在現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)中,尤其是衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信系統(tǒng)中,越來越需要帶內(nèi)低插入損耗、帶外高抑制的高性能帶通濾波器。通常，這種濾波器用腔體結(jié)構(gòu)就可以滿足要求,但是在考慮器件體積的情況下,往往首先考慮的是采用微帶線結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。盡管微帶的損耗大，Q值低，結(jié)構(gòu)不易調(diào)整，其某些指標(biāo)（如通帶損耗和阻帶衰減）較低于其他形式的濾波器，但是由于微帶在平面版圖和制版上的方便，且易于和別的電路集成，所以微帶帶通濾波器仍在現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用 。

常見的微帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)有平行耦合線型、交指型、梳狀型和發(fā)夾式等。其中發(fā)夾式帶通濾波器由于其結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成，廣泛應(yīng)用于各種微波通信電路中。傳統(tǒng)的平面耦合帶通濾波器設(shè)計(jì)一般都是根據(jù)濾波器的通帶插入損耗和阻帶的衰減指標(biāo)，選擇出適當(dāng)?shù)臍w一化低通原型，比如最大平坦型、契比雪夫型、橢圓函數(shù)型等，然后計(jì)算出阻抗矩陣元素和各耦合線段的奇模及偶模阻抗，最后根據(jù)奇偶模阻抗確定該濾波器的物理尺寸。然而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法復(fù)雜繁瑣，精確度也不高，只能粗略的計(jì)算出模型的大概尺寸，之后必須反復(fù)進(jìn)行調(diào)整和測試。近年來，隨著計(jì)算機(jī)和應(yīng)用軟件的不斷發(fā)展，微波濾波器的設(shè)計(jì)也進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。計(jì)算機(jī)模擬輔助設(shè)計(jì)繞開了復(fù)雜的理論計(jì)算和推導(dǎo)，利用電磁場仿真軟件進(jìn)行微波濾波器的設(shè)計(jì)。

本文以傳統(tǒng)發(fā)夾濾波器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種變型的發(fā)夾微帶帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)形式，與傳統(tǒng)形式相比，新形式能使濾波器的通帶兩側(cè)產(chǎn)生一對傳輸零點(diǎn)，從而增加了濾波器的帶外抑制度，使該濾波器具有良好的矩形特性和選頻特性。在本文的最后對提出的結(jié)構(gòu)給出了設(shè)計(jì)實(shí)例,并利用CST軟件對提出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化、仿真,證實(shí)了設(shè)計(jì)方法的正確性。

2 設(shè)計(jì)原理

要在濾波器的頻率響應(yīng)實(shí)現(xiàn)傳輸零點(diǎn),通常需要在濾波器結(jié)構(gòu)的諧振器之間實(shí)現(xiàn)交叉耦合,使得諧振器的相鄰耦合和非相鄰耦合之間相位反相,能量相同，從而相互抵消形成零點(diǎn)。傳統(tǒng)發(fā)夾式濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)夾濾波器結(jié)構(gòu)中的諧振單元是由半個(gè)波長微帶構(gòu)成的U形結(jié)構(gòu)，和相鄰的U形結(jié)構(gòu)諧振器相互耦合構(gòu)成。很明顯，此種耦合結(jié)構(gòu)主要依賴于相鄰諧振器單元間耦合，非相鄰諧振器單元間耦合較弱，所以該濾波器難以實(shí)現(xiàn)交叉耦合，濾波器的頻率響應(yīng)也就很難形成傳輸零點(diǎn)。

圖 1 傳統(tǒng)發(fā)夾式濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

變型的發(fā)夾濾波器如圖2所示，發(fā)夾濾波器結(jié)構(gòu)中的諧振單元仍是由半個(gè)波長微帶構(gòu)成的U形結(jié)構(gòu)，仍是由相鄰的U形結(jié)構(gòu)諧振器相互耦合，但與傳統(tǒng)形式不同的是，此種耦合不再是朝一個(gè)方向的順序耦合，而形成了間錯(cuò)的無序耦合，所以該濾波器實(shí)現(xiàn)了交叉耦合，濾波器的通帶兩側(cè)也就產(chǎn)生了一對傳輸零點(diǎn)。s是耦合間距, l是微帶線長,w是微帶線寬。

圖2 變型發(fā)夾濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖

3 微帶濾波器的特性分析

根據(jù)前面介紹的變型發(fā)夾濾波器設(shè)計(jì)方法，在CST中設(shè)計(jì)了一個(gè)變型發(fā)夾濾波器，材料是厚度為1mm，相對介電常數(shù)為2.65的聚四氟乙烯介質(zhì)基片。取s=0.2mm，l=7.5mm，w=1mm，濾波器通帶為7.6~10.6GHz,中心頻率為9.1GHz,帶寬比34%左右，通帶內(nèi)插入損耗平坦，均小于1.5dB,駐波系數(shù)形狀良好,駐波比均小于-10dB，通帶兩側(cè)零點(diǎn)落在5.84 GHz和11.5GHz，小于-35dB。

圖4 變型發(fā)夾濾波器響應(yīng)s=0.2mm,l=7.5mm,w=1mm

保持s=0.2mm，l=7.5mm，僅逐步增大諧振器的耦合間距s，我們可以得到幾組濾波器響應(yīng)曲線。發(fā)現(xiàn)隨著s的增大，濾波器通帶性能漸漸變差，s=0.6mm時(shí)濾波器通帶性能變得已經(jīng)很差,如圖5所示。

圖5 變型發(fā)夾濾波器響應(yīng)s=0.6mm,l=7.5mm,w=1mm

保持s=0.2mm，l=7.5mm，僅改變微帶線寬w，我們可以得到幾組濾波器響應(yīng)曲線。發(fā)現(xiàn)當(dāng)w小于0.75mm和大于2mm時(shí)，濾波器通帶性能變差，w=0.75mm和w=2mm時(shí)濾波器通帶性能分別見圖6、圖7所示。

圖6 變型發(fā)夾濾波器響應(yīng)s=0.2mm,l=7.5mm,w=0.75mm

圖7 變型發(fā)夾濾波器響應(yīng)s=0.2mm,l=7.5mm,w=2mm

保持s=0.2mm，w=1mm，僅改變微帶線長l，我們可以得到幾組濾波器響應(yīng)曲線。發(fā)現(xiàn)當(dāng)l小于4mm和大于11mm時(shí)，濾波器通帶性能變差，l=4mm和l=11mm時(shí)濾波器通帶性能分別見圖8、圖9所示。

圖8 變型發(fā)夾濾波器響應(yīng)s=0.2mm,l=4mm,w=1mm

圖9 變型發(fā)夾濾波器響應(yīng)s=0.2mm,l=11mm,w=1mm

4 結(jié)論

本文對傳統(tǒng)微帶發(fā)夾濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，構(gòu)成一個(gè)變型的微帶發(fā)夾濾波器結(jié)構(gòu),該濾波器在頻率響應(yīng)的通帶兩側(cè)各有一個(gè)傳輸零點(diǎn),從而提高了濾波器的帶外抑制特性。同時(shí)使用CST仿真軟件對設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行了優(yōu)化、仿真，仿真結(jié)果證明該類濾波器傳輸零點(diǎn)存在。