基于懸置帶線(xiàn)的超寬帶帶通濾波器

1引言

微波濾波器廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對(duì)抗、通訊、制導(dǎo)等系統(tǒng)中，是必不可少的重要部件。通信系統(tǒng)的寬帶、小型化發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)濾波器提出了越來(lái)越高的要求。

懸置帶線(xiàn)是一種優(yōu)越的傳輸線(xiàn)系統(tǒng)，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種形式的濾波器，相比于微帶線(xiàn)和共面波導(dǎo)，懸置帶線(xiàn)在金屬層有著更小的電流密度，在介質(zhì)層具有更小的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而有效地減小了損耗。由于懸置帶線(xiàn)具有損耗低、溫度性能優(yōu)異、工藝制作可高精度控制、批量一致性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適于寬帶微波部件設(shè)計(jì)，利用懸置帶線(xiàn)設(shè)計(jì)制作的濾波器具有多倍頻程超寬帶、低損耗和非常高的矩形度。

本文會(huì)介紹一種基于懸置帶線(xiàn)的帶通濾波器的設(shè)計(jì)，這種濾波器有著很寬的通帶，可以廣泛用于各系統(tǒng)以及寬帶多工器的設(shè)計(jì)。該懸置帶線(xiàn)帶通濾波器的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)的曲線(xiàn)在文中將會(huì)給出。

2傳輸線(xiàn)和濾波器結(jié)構(gòu)

懸置帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)是由一個(gè)懸置于金屬盒體中間的介質(zhì)基片及其上下兩側(cè)（或單側(cè)）的金屬導(dǎo)帶構(gòu)成，如圖1所示，基片上下各有2mm的空氣腔，并且由于封閉效應(yīng)，在理想情況下對(duì)外沒(méi)有輻射。懸置帶線(xiàn)是微波頻率的通用傳輸媒介，除了相對(duì)于微帶線(xiàn)更低的損耗之外，懸置帶線(xiàn)還可以選擇制作成雙面電路。如制作寬邊耦合線(xiàn)，增大耦合，就可以解決微帶線(xiàn)邊緣耦合量不夠的問(wèn)題。

圖1懸置帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的帶濾波器的指標(biāo)是：

1）中心頻率為7.5GHz

2）1dB帶寬為11GHz

3）DC-1.6GHz抑制大于60dBc，4.5-22.5GHz抑制大于60dBc

4）帶內(nèi)駐波小于1.7

設(shè)計(jì)要求帶寬很寬，為2-13GHz，相對(duì)帶寬接近150%，我們采用高低通對(duì)接的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)所提供的帶寬取決于高通濾波器的帶寬。高通通帶夠?qū)?，設(shè)計(jì)出的帶通濾波器就能滿(mǎn)足要求。

我們選用橢圓函數(shù)原型濾波器，它具有等波紋通帶和等最小值阻帶，在阻帶內(nèi)有限頻率處存在若干個(gè)衰減極點(diǎn)，可以得到很陡的截止率，具有很好的阻帶特性。

圖2集總原型

圖2是此濾波器的集總原型，左半部分為高通，右邊是低通濾波器，中間有一匹配阻抗，用以調(diào)整駐波。

高通濾波器的耦合電容由寬邊耦合實(shí)現(xiàn)，并且為了增大耦合，提高耦合電容，減小耦合區(qū)的體積，我們特別選用了10mil的薄介質(zhì)板，并適當(dāng)調(diào)整介質(zhì)板距離上下接地板的腔高，以實(shí)現(xiàn)減小體積的目的。

并聯(lián)諧振器由階躍阻抗諧振器（SteppedImpedanceResonators,SIR）實(shí)現(xiàn)，提供傳輸零點(diǎn)，有效的減小了濾波器的寬度，并且其中的低阻抗線(xiàn)是微帶實(shí)現(xiàn)，雖然會(huì)略微降低Q值，但是能夠進(jìn)一步減小體積，可以實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化。階躍阻抗諧振器(SIR)如圖3所示。在不減小無(wú)載品質(zhì)因數(shù)的情況下可以縮短諧振器長(zhǎng)度,并且在結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上有很大的自由度

圖3l/4階躍阻抗諧振器

對(duì)于終端開(kāi)路的階躍阻抗諧振器,若輸入的導(dǎo)納、阻抗分別定義為Yi和Zi。如果忽略階躍非連續(xù)性和開(kāi)路端的邊緣效應(yīng),Zi的表達(dá)式如下

設(shè)Yi=0,則平衡諧振條件為

SIR的諧振條件取決于θ1、θ2和阻抗率Rz。一般的均勻阻抗諧振器的諧振條件惟一地取決于傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度,而對(duì)SIR則同時(shí)要記入長(zhǎng)度和阻抗比。因此,階躍阻抗諧振器(SIR)比均勻阻抗諧振器(UIR)多了一個(gè)設(shè)計(jì)自由度。

設(shè)SIR兩端之間的總的電學(xué)長(zhǎng)度θT為

諧振器長(zhǎng)度在Rz≥1時(shí)有極大值,Rz1時(shí)有極小值。且當(dāng)0Rz1時(shí),0θTπ/2。所以SIR相比普通UIR減小了尺寸。

低通濾波器是普通的橢圓結(jié)構(gòu)濾波器。

3建模仿真

對(duì)低通濾波器和高通濾波器分別仿真，得到在HFSS中進(jìn)行的三位電磁場(chǎng)仿真曲線(xiàn)如圖4和圖5所示。

圖4高通濾波器在HFSS中仿真曲線(xiàn)

圖5低通濾波器在HFSS中仿真曲線(xiàn)

把兩個(gè)濾波器通過(guò)一匹配阻抗連接在一起，調(diào)整阻抗值，進(jìn)行匹配，優(yōu)化駐波，得到帶通濾波器的仿真曲線(xiàn)如圖6所示

圖6帶通濾波器在HFSS中仿真曲線(xiàn)

4測(cè)試結(jié)果與分析

實(shí)際做出的產(chǎn)品如圖7所示，尺寸為58mm×36mm×1mm。

圖7實(shí)物照片

該產(chǎn)品不僅實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的小型化，同時(shí)具有良好的濾波特性。實(shí)際的測(cè)試曲線(xiàn)與仿真結(jié)果相比較相當(dāng)一致，經(jīng)過(guò)調(diào)試得出最后的曲線(xiàn)如圖8所示，該產(chǎn)品完全滿(mǎn)足指標(biāo)要求，并有指標(biāo)冗余。調(diào)試后實(shí)際性能較仿真曲線(xiàn)優(yōu)異，受到加工精度的影響，通帶向低端偏移。

圖8實(shí)物測(cè)試曲線(xiàn)

5結(jié)論

這種懸置帶線(xiàn)帶通濾波器損耗很低，Q值高，帶外抑制高，矩形度優(yōu)異，通帶極寬，體積小，比起普通的微帶帶通濾波器，可調(diào)性非常好。但是在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該注意屏蔽隔墻產(chǎn)生的影響。