懸置帶線帶阻濾波器的設(shè)計(jì)

1引言

帶阻濾波器常用于射頻/微波系統(tǒng)中濾除不需要的信號(hào)或者抑制寄生響應(yīng)，抑制不同通信系統(tǒng)之間的干擾，可以解決相近的本地收發(fā)天線之間的共址干擾問(wèn)題。

懸置帶線是一種優(yōu)越的電磁波傳輸系統(tǒng)，其用途廣泛，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型的濾波器，不僅可用于傳輸線諧振器型濾波器，也可用于半集總濾波器的設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，在平面?zhèn)鬏斁€中金屬損耗占據(jù)主導(dǎo)地位，相對(duì)于微帶線和共面線，懸置帶線的橫截面較大，這有效降低了金屬層的電流密度以及介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而能有效減小損耗，同時(shí)，屏蔽效應(yīng)使其不會(huì)產(chǎn)生輻射，延伸至空氣中的電磁場(chǎng)成分增加，降低色散效應(yīng)對(duì)濾波器性能的影響。

在帶阻濾波器的設(shè)計(jì)中，阻帶抑制特性及通帶到阻帶的過(guò)渡特性是設(shè)計(jì)兩個(gè)重要方面。帶阻濾波器的設(shè)計(jì)常見(jiàn)于窄帶或者寬帶的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，采用平面?zhèn)鬏斀Y(jié)構(gòu)形式具有低成本，易于加工的優(yōu)點(diǎn)，大量的相關(guān)設(shè)計(jì)的文章發(fā)表于各種期刊雜志，但是，關(guān)于中等阻帶寬度的帶阻濾波器設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)較為少見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)了一種X波段帶阻濾波器，采用“支線式”結(jié)構(gòu)，AnsoftHFSS軟件仿真，實(shí)現(xiàn)通帶2～18GHz，具有15%的阻帶帶寬，陡峭的過(guò)渡帶。

2帶阻濾波器設(shè)計(jì)的基本原理

首先，介紹幾種平面帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示，這三種濾波器結(jié)構(gòu)是1/4波長(zhǎng)短截線微波帶阻濾波器的常見(jiàn)類(lèi)型，“平行耦合式”結(jié)構(gòu)（圖1（a）所示）適用于窄帶帶阻濾波器，“并聯(lián)基型”（圖1（b）所示）適用于寬帶帶阻濾波器，而“支線式”結(jié)構(gòu)（圖1（c）所示）適用于中等帶寬帶阻濾波器的設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)一種中等阻帶寬度的帶阻濾波器，采用圖1（b）所示的支線式電路結(jié)構(gòu)，其等效于圖2（a）所示的1/4波長(zhǎng)短截線帶阻濾波器基型電路，這種基型帶阻濾波器的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)公式[5]，可以應(yīng)用頻率變換和黑田變換，直接從集總原件LC梯形低通原型推導(dǎo)出來(lái)，具體步驟是：①確定低通原型；②將各元件乘以帶寬因子；③加入單位元件，應(yīng)用黑田變換；④確定電路結(jié)構(gòu)。

圖1帶阻濾波器的幾種結(jié)構(gòu)形式

支線式結(jié)構(gòu)于平行耦合式結(jié)構(gòu)是等效的，它們均等效于圖2b）所示的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)等效于圖2a）所示的1/4波長(zhǎng)短截線帶阻濾波器并聯(lián)基型，這兩種濾波器的單節(jié)與基型單節(jié)的參數(shù)間的關(guān)系為：

(1)

(2)

(3)

其中，

實(shí)現(xiàn)條件為：

(4)

式中，Y1為并聯(lián)短截線的特性導(dǎo)納，Y12為聯(lián)接線的特性導(dǎo)納，Ca、Cb為桿對(duì)地單位長(zhǎng)自電容，為桿間單位長(zhǎng)互電容，η0為自由空間波阻抗，εr為相對(duì)介電常數(shù)。

圖2支線式帶阻濾波器的等效

3X波段帶阻濾波器設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的帶阻濾波器的技術(shù)指標(biāo)如下：

中心頻率：f0=11.8GHz

阻帶：10.9GHz-12.7GHz（相對(duì)帶寬15%）

阻帶內(nèi)衰減：L≥45dB

通帶插損：IL≤2.0dB@2-10.1GHz13.5-18GHz

根據(jù)前面的分析，采用支線式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)濾波器能夠滿足15%阻帶帶寬的要求，根據(jù)阻帶衰減要求，取n=10，采用RT/durold®6002陶瓷板作為基板，相對(duì)于微帶線來(lái)說(shuō)，懸置帶線能夠減小損耗，能夠獲得更加優(yōu)越的過(guò)渡帶特性。在ADS中建立原理圖，給出各短截線及主線的初值并優(yōu)化，從而得到帶阻濾波器的各結(jié)構(gòu)參數(shù)的較準(zhǔn)確的值，在此基礎(chǔ)之上，采用Ansoft公司的三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS建立三維模型，進(jìn)行參數(shù)掃描或者優(yōu)化，確定參數(shù)的精確值，得到滿足指標(biāo)要求的仿真曲線，如圖3所示，阻帶衰減大于45dB的范圍約為16%，通帶插損不大于2.0dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。這樣，既利用了原理圖設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性及快速性，又利用了三維電磁場(chǎng)仿真的準(zhǔn)確性，從而可以快速而準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)出所需要的濾波器電路。

圖3帶阻濾波器仿真曲線

根據(jù)仿真得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)的準(zhǔn)確值，進(jìn)行了加工與測(cè)量，其實(shí)物照片如圖4所示。

圖4帶阻濾波器實(shí)物圖

采用安捷倫公司的E8363B矢網(wǎng)測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。測(cè)量結(jié)果顯示：阻帶衰減在10.9GHz-12.7GHz范圍內(nèi)大于48dB，其邊帶特性較仿真有一定的惡化，在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：無(wú)論調(diào)節(jié)那個(gè)一諧振，其第二個(gè)通帶（13.5-18GHz）的駐波變化很小，基本上沒(méi)有改善，而第一個(gè)通帶（2-10.1GHz）的駐波均可以通過(guò)調(diào)試使其小于2，可調(diào)性很高。分析出現(xiàn)以上情況的原因，一是軟件求解存在的仿真誤差，二是加工誤差的引入，三是部分結(jié)構(gòu)參數(shù)不可調(diào)，只能調(diào)節(jié)各個(gè)諧振支線的電長(zhǎng)度，其耦合不可調(diào)，導(dǎo)致第二通帶駐波有一定的惡化?？梢酝ㄟ^(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化仿真，提高加工精度，適當(dāng)減小諧振短截線的長(zhǎng)度，改善高端的駐波比，通過(guò)調(diào)諧釘補(bǔ)償諧振器的電長(zhǎng)度，以達(dá)到改善濾波器性能的目標(biāo)。

圖5帶阻濾波器測(cè)量曲線

4結(jié)論

本文采用支線式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種中等阻帶帶寬的帶阻濾波器，使用懸置帶線結(jié)構(gòu)獲得較高的Q值，陡峭的邊帶過(guò)渡特性，該濾波器還具有低成本、易于加工的優(yōu)點(diǎn)，滿足工程應(yīng)用的需要。