X波段Hairpin帶通濾波器的設(shè)計(jì)

郭 勇

(中航工業(yè)成飛企業(yè)培訓(xùn)部，四川成都610092)

濾波器是無(wú)線電通信系統(tǒng)中關(guān)鍵的無(wú)源器件，微波帶通濾波器是其中重要的一類，得到了廣泛的研究和應(yīng)用，比如腔體濾波器、微帶平行耦合帶通濾波器、Hairpin型帶通濾波器、發(fā)夾型濾波器等等。微波無(wú)線通信已經(jīng)經(jīng)歷了大半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，頻率資源的使用和開發(fā)不斷深入，也變得越來(lái)越緊張，尤其是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，對(duì)帶內(nèi)插損低、帶外抑制高的高性能帶通濾波器需求越來(lái)越高，同時(shí)，小型化也是需要重點(diǎn)考慮的方面。Hairpin濾波器應(yīng)用廣泛，能夠滿足無(wú)線電發(fā)展對(duì)濾波器的性能的要求。

圖1 Hairpin濾波器的示意圖

本文通過(guò)對(duì)Hairpin濾波器結(jié)構(gòu)的分析，設(shè)計(jì)了一款在X波段應(yīng)用的微帶抽頭式寬帶帶通濾波器，并且通過(guò)ADS軟件的設(shè)計(jì)，得到了符合指標(biāo)要求的濾波器電路(如圖1)，然后用不同的設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

1 Hairpin濾波器設(shè)計(jì)理論

在微帶的結(jié)構(gòu)中，Hairpin濾波器利用λ/2平行耦合線諧振器構(gòu)成濾波器，為達(dá)到減小濾波器尺寸的目的，一般將耦合線變?yōu)椤癠”形或“S”形的結(jié)構(gòu)，圖1所示為“U”形。雖然這樣的濾波器和λ/4平行耦合微帶濾波器一樣，一般不具有抑制諧波的特性，但這種結(jié)構(gòu)可以利用其結(jié)構(gòu)的特殊性實(shí)現(xiàn)非相鄰諧振器之間的耦合，以實(shí)現(xiàn)在通帶附近產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，比起平行耦合的結(jié)構(gòu)，能夠大幅提高濾波器的頻率選擇性［1］。

本文所設(shè)計(jì)的Hairpin濾波器如圖1所示，從結(jié)構(gòu)中可以看到，相鄰的兩個(gè)“U”形結(jié)構(gòu)諧振器相互耦合構(gòu)成了諧振單元。按照一般的實(shí)際流程，首先是根據(jù)設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求選擇合適的低通濾波器原型，得到導(dǎo)納J變換器的值，然后利用這些值，求出微帶耦合線的奇偶模阻抗Zoe和Zoo，再通過(guò)仿真軟件計(jì)算出耦合線的線寬、長(zhǎng)度和縫寬，以此得到濾波器的實(shí)現(xiàn)尺寸［1－4］，接下來(lái)在仿真軟件中進(jìn)行優(yōu)化，得到最后的結(jié)果。

假設(shè)一段耦合線的終端開路，其電長(zhǎng)度為θc，那么它可等效為一個(gè)J變換器和接在兩邊的兩段傳輸線的組合，傳輸線的電長(zhǎng)度為θc，特性導(dǎo)納為Y0。然后可以求出耦合微帶單元的A矩陣A1和等效電路的A矩陣A2，由A1=A2，θc=π/2，可以求得:

其中，gi為低通原型濾波器的元件值;W為濾波器的相對(duì)帶寬。同時(shí)，濾波器的饋電抽頭的位置L可由下式估算［4］:

式中，R表示源內(nèi)阻，a表示濾波器發(fā)夾的臂長(zhǎng)，為λg/4。

其中，λ0為濾波器中心頻率的自由空間傳播波長(zhǎng)，εre基片材料的有效介電常數(shù)，h為基片厚度，w為微帶線線寬。

2 濾波器的設(shè)計(jì)

指標(biāo)要求:通帶:8～10 GHz，插損大于10 dB，在7 GHz和11 GHz處的帶外抑制達(dá)到30 dB，基片材料選取rogers RO4350，介電常數(shù)為 3.66，厚度為 0.5 mm。

根據(jù)指標(biāo)要求，選用切比雪夫原型濾波器來(lái)設(shè)計(jì)，通過(guò)前面所講的公式可以大致確定各尺寸的初值，接下來(lái)在ADS中進(jìn)行仿真和優(yōu)化。在原理圖仿真中，以各物理尺寸為優(yōu)化變量，從圖1可以看出，濾波器的耦合線寬度、縫寬，連接耦合線的傳輸線長(zhǎng)度各不相同，但是濾波器左右對(duì)稱，使得仿真設(shè)置更加方便。由于路放的結(jié)果和場(chǎng)仿的結(jié)果有一定的偏差，所以在設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)時(shí)一般要提高指標(biāo)。

然后進(jìn)入layout對(duì)優(yōu)化好的電路進(jìn)行電磁仿真，同時(shí)調(diào)整優(yōu)化變量以滿足要求，最后得到ADS中電磁仿真的結(jié)果，如圖2。

由圖2可見，帶內(nèi)插損達(dá)到18 dB，在7 GHz處的帶外抑制為39 dB，在11 GHz處為33 dB，都符合要求。由于在ADS仿真中沒有添加損耗角正切，銅片厚度等損耗因子，所以結(jié)果并不符合實(shí)際。將電路導(dǎo)入HFSS軟件中，根據(jù)加工廠的工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)銅片厚度為0.017 mm，重新進(jìn)行仿真，并適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化變量。最后的仿真結(jié)果如圖3。

圖2 ADS仿真結(jié)果

圖3 HFSS仿真結(jié)果

從圖3中可見，濾波器的帶內(nèi)插損為12 dB，在7 GHz和11 GHz處的帶外抑制都大于30 dB，符合指標(biāo)要求，說(shuō)明Hairpin濾波器在X波段上的應(yīng)用是可行的。同時(shí)，該濾波器尺寸小于20 mm×10 mm，滿足小型化的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

X波段是雷達(dá)通信常用的波段，濾波器作為系統(tǒng)中必不可少的部分要求也越來(lái)越高，本文根據(jù)Hairpin濾波器的設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)了X波段的帶通寬帶濾波器，并運(yùn)用不同的電磁仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了比較。

［1］李蓉.微帶濾波器的設(shè)計(jì)與仿真［D］.成都:電子科技大學(xué)，2008.

［2］Ludwig R，Bretchko P.射頻電路設(shè)計(jì)——理論與應(yīng)用［M］.王子宇，張肇儀，徐承和，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2002:169－174.

［3］David M Pozar.微波工程［M］.張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2002:359－374.

［4］鄭迎賓，孫興超，崔英善.發(fā)夾型濾波器的設(shè)計(jì)［J］.山西電子技術(shù)，2008(6):49－53.