新型小型化寬帶懸置微帶濾波器的分析與設(shè)計(jì)

夏運(yùn)強(qiáng), 唐 濤, 陳釘均

(1.成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院,四川成都610225;2.四川省高等學(xué)校數(shù)值仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川內(nèi)江641112)

1 引言

濾波器是無(wú)線(xiàn)通信中的一種關(guān)鍵部件,隨著航天、雷達(dá)和通信技術(shù)的發(fā)展,對(duì)濾波器提出了小型化、寬頻帶、低插損等要求。目前實(shí)現(xiàn)濾波器小型化主要手段主要有：利用微波有源電路做成微波單片集成(MMIC)有源濾波電路;采用高介電常數(shù)材料減小傳導(dǎo)波長(zhǎng),進(jìn)而減小諧振器長(zhǎng)度。在當(dāng)前情況下,這2種方法均難實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)插損低帶外抑制高的要求[1]。

文中將采取改進(jìn)濾波器傳輸線(xiàn)的方法。若采用腔體結(jié)構(gòu),濾波器尺寸太大;若采用標(biāo)準(zhǔn)微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu),其插損又將增大。而采用懸置微帶傳輸線(xiàn)的方式,將有效減小濾波器尺寸,降低其插入損耗,并且采用終端開(kāi)路的交指結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)濾波器的寬頻帶設(shè)計(jì)要求。把懸置微帶線(xiàn)等效成帶狀線(xiàn),在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出終端開(kāi)路的交指濾波器結(jié)構(gòu),最后利用電磁場(chǎng)全波仿真軟件,對(duì)設(shè)計(jì)出的濾波器的電磁特性進(jìn)行了具體分析。

2 懸置微帶交指濾波器設(shè)計(jì)原理

2.1 帶狀線(xiàn)理論

在微波濾波器中最常用的帶狀線(xiàn),是所謂“對(duì)稱(chēng)帶狀線(xiàn)”(或稱(chēng)“夾心線(xiàn)”),是由距離為 b的兩接地板和中心導(dǎo)帶(厚度為t,寬度為w)所組成[2,3],其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對(duì)于同一種均勻介質(zhì),矩形中心導(dǎo)帶的帶狀線(xiàn)的特性阻抗Z0與 t/b及w/b的大小有關(guān)。

2.2 懸置微帶線(xiàn)理論

懸置微帶線(xiàn)是將導(dǎo)體帶條敷于薄介質(zhì)片上而懸掛在接地板上面的空間,如圖2所示。從圖示的結(jié)構(gòu)可知,這種微帶線(xiàn)的大部分電力線(xiàn)將集中在空氣中,因而介質(zhì)引入的影響小,整個(gè)空間的介電常數(shù)接近于1,在構(gòu)成耦合微帶線(xiàn)時(shí),奇偶摸相速的不一致性也有所減小,傳輸線(xiàn)的Q值提高了,有利于用作濾波器、諧振腔等電路元件[4]。

圖1 帶狀線(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖2 懸置微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)

若懸置微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)中的a+h=c,則懸置微帶線(xiàn)相當(dāng)于填充了某種介質(zhì)的對(duì)稱(chēng)帶狀線(xiàn)。在w＞＞h(即邊緣場(chǎng)的作用不大)時(shí),可用下列公式計(jì)算介質(zhì)的有效介電常數(shù)[5]：

由a+h=c,a+h+c=b可得b=2c,那么根據(jù)式(1)可得

2.3 交指濾波器理論[2-3]

交指濾波器是指由平行耦合線(xiàn)諧振器陣交叉組成的結(jié)構(gòu),多用作慢波系統(tǒng)。但近年來(lái)研究表明,它具有優(yōu)良的帶通特性,具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性高;(2)每諧振器間距較大,公差要求低,容易制造;(3)由于諧振桿長(zhǎng)度近似等于1/4波長(zhǎng),所以第二通帶中心在3ω0以上,其間沒(méi)有寄生通帶;(4)既可作成印刷電路形式,又可作成腔體結(jié)構(gòu)。因此,交指濾波器在電子系統(tǒng),尤其在通信技術(shù)及近代航空航天領(lǐng)域中被廣泛使用。

終端開(kāi)路交指濾波器如圖3所示,這種結(jié)構(gòu)從桿1到桿 n(包括兩終端桿在內(nèi))都是用作諧振器,因此對(duì)于n個(gè)電抗元件低通原型,只要n個(gè)桿就能實(shí)現(xiàn)。

終端開(kāi)路交指濾波器結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)寬帶濾波器的設(shè)計(jì)要求,在交指濾波器中,由于桿端分布電容的影響,諧振器實(shí)際長(zhǎng)度比1/4波長(zhǎng)略短,如果人為地加強(qiáng)端電容,將使諧振器桿變得更短,而成為電容加載交指型濾波器。

2.4 終端開(kāi)路交指濾波器的設(shè)計(jì)公式[2]

用變換式選定低通原型的元件數(shù)目 n,從而求出元件數(shù)值gk,ω′1。然后計(jì)算

圖3 終端開(kāi)路濾波器結(jié)構(gòu)圖

接下來(lái)計(jì)算每個(gè)桿的歸一單位長(zhǎng)自電容：

式中ε是介電常數(shù),εr是相對(duì)介電常數(shù)。h是導(dǎo)納比例因數(shù),選定它以得到方便的導(dǎo)納水平。

而兩相鄰桿間的歸一化單位長(zhǎng)互電容可以通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

需要說(shuō)明的是,以上計(jì)算公式只適用于帶狀線(xiàn)濾波器。

3 濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程

設(shè)計(jì)的濾波器主要針對(duì)應(yīng)用廣泛的S波段,其技術(shù)指標(biāo)如下：通帶2-4GHz,中心頻率 f0=3GHz,相對(duì)帶寬BW=67%,帶內(nèi)插損小于1.5dB,在fs=5GHz處衰減大于40dB。濾波器采用懸置微帶傳輸線(xiàn),結(jié)構(gòu)采用終端開(kāi)路交指形式,傳輸函數(shù)采用切比雪夫型。

濾波器設(shè)計(jì)步驟如下：

(1)基片選取Roges4350,εr=3.48,厚度 h=0.508mm,銅箔厚度 t=0.018mm,下腔高度 a=2mm,則上腔高度c=a+h=2.508mm。

根據(jù)式(2)可得懸置微帶線(xiàn)的有效介電常數(shù)εe=1.08,這樣懸置微帶線(xiàn)就轉(zhuǎn)換為了帶狀線(xiàn)。

(2)用變換式確定濾波器階數(shù)n=7。

(3)根據(jù)終端開(kāi)路交指濾波器設(shè)計(jì)公式,計(jì)算出懸置微帶線(xiàn)濾波器的初值如下：

桿長(zhǎng)P=22.5mm,桿到腔壁距離d=1mm

各桿的寬度 W和各桿間的縫隙S分別為：W1=2.76mm,S12=0.15mm;W2=0.58mm,S23=0.80mm;W3=1.00mm,S34=0.90mm;W4=1.00mm。最終設(shè)計(jì)出的濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

(4)仿真驗(yàn)證

采用美國(guó)Ansoft公司的HFSS對(duì)濾波器電磁特性進(jìn)行三維電磁場(chǎng)仿真,HFSS采用的是有限元法(FEM),對(duì)于天線(xiàn)、濾波器等微波無(wú)源器件的仿真非常準(zhǔn)確。圖5所示為HFSS仿真所得的濾波器傳輸特性曲線(xiàn)。從圖5可以看到,該濾波器在2-4GHz內(nèi)具有很好的帶通特性,在f≥5GHz時(shí),其衰減已經(jīng)大于40dB,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖5 濾波器HFSS仿真曲線(xiàn)

4 濾波器的測(cè)試和分析

根據(jù)HFSS仿真結(jié)果加工出懸置微帶濾波器,濾波器整體尺寸為：30mm×30mm×20mm,如圖6所示。利用R&S矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVB20對(duì)設(shè)計(jì)出的濾波器進(jìn)行測(cè)試,得到濾波器的S11和S21曲線(xiàn),其結(jié)果如圖7所示。

從圖7也可以看出,濾波器已經(jīng)滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)帶寬要求,帶內(nèi)插損小于1.5dB,5GHz處衰減為51dB,大于40dB的設(shè)計(jì)要求。由于加工的精度影響,實(shí)測(cè)的反射曲線(xiàn)比仿真結(jié)構(gòu)稍差一些,仿真的回波損耗12dB,實(shí)測(cè)的回波損耗10dB。如果拋開(kāi)加工精度等人為因素的影響,實(shí)測(cè)所得的結(jié)果與仿真結(jié)果還是符合得很好的。

圖6 濾波器實(shí)物

圖7 濾波器實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了懸置微帶濾波器的設(shè)計(jì)方法,根據(jù)這些方法,從理論分析和電磁仿真的角度設(shè)計(jì)出了一種新的具有交指結(jié)構(gòu)的懸置微帶線(xiàn)濾波器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種濾波器具有小型化、寬頻帶、低插損的特點(diǎn),在移動(dòng)通信和微波通信領(lǐng)域中將有著十分廣泛的應(yīng)用前景。

致謝：感謝成都信息工程學(xué)院校選科研項(xiàng)目(CRF201102)對(duì)本文的資助。

[1]高戟,苗敬峰.一種新型懸置微帶濾波器設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào),1998,14(4)：360-365.

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