一種微帶線射頻帶通濾波器的設(shè)計與研究

曹新亮，李建新，樊延虎

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

0 引言

一般工作頻率超過500 MHz的濾波器是難以用分立元件實現(xiàn)，這是因為工作波長與濾波器元件的物理尺寸比較接近，從而會造成多方面的損耗并使電路性能嚴(yán)重惡化。高頻濾波器作為射頻系統(tǒng)中廣泛使用的無源器件之一，它的性能好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的優(yōu)劣。

微帶線是位于接地層上由電介質(zhì)隔開的印制導(dǎo)線，它是一根帶狀導(dǎo)(信號線)［1］，微帶線濾波器由于其結(jié)構(gòu)簡單特點(diǎn)，既可以設(shè)計在片級版圖中，也可以設(shè)計在板級PCB上。

本文為從混頻器輸出中獲得750 MHz下邊頻信號，設(shè)計一種兼顧阻抗變換、信號傳輸、濾波等功能的微帶傳輸線濾波器。

1 混頻輸出雙端到單端的轉(zhuǎn)換

擬設(shè)計的微帶線濾波器是要對混頻信號進(jìn)行濾波的。由于混頻器是以雙端形式輸出信號，而微帶線濾波器一般是單端輸入，輸入端子數(shù)不相匹配。所以，二者之間需要插入一個巴倫(Balun)合路器。

Balun一詞是Balanced和Unbalanced組合而成的，表示在平衡與非平衡之間轉(zhuǎn)換之意。Balun電路可以將差分輸出轉(zhuǎn)換成單端輸出或者將單端信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘中盘?。單端到差分結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器叫分路巴倫;差分到單端結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器稱為合路巴倫。其按結(jié)構(gòu)有多種類型，如同軸電纜巴倫、環(huán)形微帶線巴倫、變壓器巴倫、LC巴倫等。

在這里，以片外合路LC巴倫(如圖1)插入混頻器和微帶線濾波器之間進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)換。

圖1 LC Balun巴倫合路器

在測得混頻器單端輸出阻抗Zin時，可預(yù)設(shè)合路LC巴倫在750 MHz的輸出阻抗Zout，則合路LC巴倫參數(shù)可以根據(jù)以下兩式確定［2］:

在混頻輸出濾波器的實現(xiàn)中，可以采用耦合微帶線來代替集總參數(shù)元件，以 Agilent公司的ADS2006A軟件作為微帶線濾波器設(shè)計軟件。ADS仿真設(shè)計軟件是Agilent公司的一套功能強(qiáng)大的EDA軟件，它可以模擬整個信號通路，完成從電路到系統(tǒng)的各級仿真，在射頻電路的仿真分析和設(shè)計方面的應(yīng)用非常廣泛。利用ADS仿真軟件設(shè)計濾波器，大大縮減了濾波器的研制時間。并且，利用ADS還可以很方便地對所設(shè)計出的濾波器根據(jù)設(shè)定的指標(biāo)加以優(yōu)化，以獲得最佳的濾波特性。

2 微帶線濾波器設(shè)計

參照不同溫度條件下混頻器輸出信號共同的頻譜特征:(750±40)MHz范圍內(nèi)頻譜較純，最靠近750 MHz頻譜、幅度最大的雜波頻率也在1 GHz以上。并且，盡量保持通頻帶內(nèi)強(qiáng)度恒定一致。由此，提出濾波器具體設(shè)計指標(biāo)如下:

1)帶內(nèi)起伏l dB;

2)在1 GHz處損耗不低于50 dB;

3)中心頻率為750 MHz，710 MHz≤3 dB帶寬≤790 MHz，通帶內(nèi)端口反射系數(shù)－20 dB;

4)輸入、輸出阻抗為50 Ω。

為此，需要選擇一個濾波器原型，再通過以下三個步驟最終確定帶通濾波器的參數(shù):

(1)根據(jù)設(shè)計要求(如衰減和波紋等因素)，決定選擇巴特沃斯低通濾波器作為設(shè)計原型。采用巴特沃斯濾波器，可以確定標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)g0，g1，…。

(2)確定歸一化帶寬、上截止頻率和下截止頻率。可得到傳輸線的奇模、偶模特性阻抗。

(3)確定微帶線的實際尺寸。

不同材料的印刷電路板的介電常數(shù)是不同的，從而使得計算得到的耦合微帶線的參數(shù)也不一致。具體參數(shù)如下:

基板厚度h為1 mm;基板相對介電常數(shù)Er為4.3;磁導(dǎo)率Mur為1;金屬電導(dǎo)率 Cond為5.88e+7;封裝高度Hu為1.0e+34 mm;金屬層厚度T為0.03 mm。

根據(jù)參考文獻(xiàn)［3］，可將每個奇模特性阻抗和偶模特性阻抗換算成微帶線的實際幾何尺寸。如果每段耦合微帶線的長度都設(shè)定為四分之一波長(對中心頻率而言)，那么只需要確定銅質(zhì)導(dǎo)體帶的間距S和寬度W就可以了。

根據(jù)濾波所要求的參數(shù)，濾波器可由5個耦合微帶線節(jié)組成。平行耦合微帶線濾波器的結(jié)構(gòu)是對稱的，所以5個耦合微帶線節(jié)中，第1、5線節(jié)的寬度相同，縫隙也相同，分別設(shè)置為W1和S1;第2、4線節(jié)的寬度和縫隙也分別相同，設(shè)置為W2和S2;中間線節(jié)的寬度和縫隙則分別設(shè)為W3和S3。經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化和調(diào)整，最后確定的數(shù)值為:W1=0.852 mm;W2=2.193 mm;W3=1.323 mm;S1=0.287 mm;S2=0.348 mm;S3=0.981 mm。如圖2 所示。

圖2 5節(jié)微帶線濾波器原理圖

根據(jù)射頻濾波器原理圖還要進(jìn)一步生成版圖，版圖的設(shè)計如圖3所示，中間為5個平行耦合微帶線節(jié)，兩側(cè)的為50 Ω微帶傳輸線，分別作為射頻信號的輸入和輸出端口。

圖3 微帶線濾波器版圖

3 微帶線帶通濾波器特性仿真

利用ADS2006A軟件對生成的版圖進(jìn)行仿真與優(yōu)化［4］，得到的幅頻特性如圖4。由此可見，正向傳輸特性S21的帶內(nèi)起伏達(dá)到1.5 dB和預(yù)設(shè)1 dB起伏相比性能有不同程度的惡化。但在750 MHz處幾乎沒有衰減，3 dB帶寬也基本符合要求，特別是在1 GHz及以上頻率信號衰減超過50 dB，這對保證混頻器輸出穩(wěn)定的750 MHz信號的提取和其它雜波的濾除是有利的。

圖4 微帶線濾波器正向幅頻衰減特性

另外，圖5仿真結(jié)果展示出微帶線傳輸濾波器正向傳輸?shù)南嘁铺匦浴南嘁铺匦钥梢钥闯觯?50 MHz處沒有相移，頻率低于750 MHz相位超前、710 MHz處相位超前達(dá)150°，頻率高于750 MHz相位滯后、790 MHz處相位相位滯后約150°。

圖5 微帶線濾波器正向相頻特性

從仿真結(jié)果看，微帶線傳輸濾波器對750 MHz這個穩(wěn)定差頻，既無衰減又沒有附加相移，若以－20 dB對應(yīng)的頻帶為底部帶寬，幅頻特性矩形系數(shù)約為2，此微帶線濾波器也可以用作混頻輸出的片外濾波兼信號傳輸。

4 結(jié)論

通過對平行耦合微帶線濾波器的設(shè)計，可以看到，使用ADS輔助設(shè)計方法理論計算簡單，能快速靈活地取得理論期望與設(shè)計效果的一致性。此設(shè)計方法可以移植到其他介質(zhì)、結(jié)構(gòu)的濾波器設(shè)計中，對片級和板級的傳輸線濾波器設(shè)計均有一定參考價值。

［1］Zhu L，Menzel W.Broad－band microstrip－to－CPW transition via frequency dependent electromagnetic coupling［J］.IEEE Trans.Microwave theory and techniques.2004，52(5):1517－1522.

［2］馬耀輝，朱青，盛海波，等.基于 CC1110微功率無線采集器的設(shè)計［J］.計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19(4):212 －215.

［3］張福洪，張振強(qiáng)，馬佳佳.基于ADS的平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計及優(yōu)化［J］.電子器件，2010，33(4):433－437.

［4］余靜波，徐家品.基于ADS2009微帶帶通濾波設(shè)計優(yōu)化［J］.通信技術(shù)，2010，43(11):26 －27，30.