電調(diào)諧式微帶線濾波器的設(shè)計(jì)

任鎳，張澤宇

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

隨著高速信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，濾波器作為最基本的信號(hào)處理元件之一在各種控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用。電調(diào)諧濾波器由于其中心頻率可變、調(diào)諧方式靈活、構(gòu)成方式多樣等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的關(guān)注，本文在電調(diào)諧濾波器原理的基礎(chǔ)上[1]，研究了微帶線外部耦合系數(shù)及級(jí)間耦合系數(shù)對(duì)電調(diào)諧式濾波器的影響，并基于提取參數(shù)法設(shè)計(jì)出了一種調(diào)諧范圍寬、插損小的電調(diào)諧濾波器。

1 抽頭式電調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)

本文基于濾波器設(shè)計(jì)的提取參數(shù)法[2]，它適用于各種不同的耦合濾波器物理結(jié)構(gòu)。濾波器等效電路如下圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知，假定各諧振器的諧振頻率ω，諧振器間耦合系數(shù)Mij，影響濾波器響應(yīng)特性的主要參數(shù)就是：輸入輸出端口阻抗RL和RC。結(jié)合等效模型，抽頭式梳狀線濾波器端口阻抗RL和RC的大小取決于抽頭線的位置，諧振頻率ω取決于加載電容的大小，級(jí)間耦合系數(shù)Mij則取決于耦合微帶線的線間距。

圖1 n階耦合諧振器的等效電路

圖2 n階耦合諧振器的雙端口等效圖

可以利用耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法[4]來確定梳狀線濾波器的物理尺寸參數(shù)。梳狀線濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)如下[5]。設(shè)定濾波器相對(duì)帶寬值FBW為4%，低通原型的歸一化值根據(jù)性能指標(biāo)設(shè)定為g0=1、g1=0.8430、g2=0.6220、g3=0.6220。

那么濾波器外部品質(zhì)因數(shù)：

耦合系數(shù)：

其中，i為濾波器的級(jí)數(shù)，Qe1和Qen為輸入輸出諧振器的外部品質(zhì)因數(shù)，Mi,i+1為相鄰諧振器間的耦合系數(shù)。

2 設(shè)計(jì)仿真

2.1 外部耦合系數(shù)和級(jí)間耦合系數(shù)的仿真

Ansoft HFSS是一種基于有限元方法的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，具備任意三維無源結(jié)構(gòu)的全波電磁場(chǎng)分析求解能力以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。本文在Ansoft HFSS中建立梳狀線濾波器單端口三維模型和梳狀線濾波器級(jí)間耦合三維模型，如圖3和4所示。

圖3 梳狀線濾波器單端口三維模型

通過仿真計(jì)算，可以得出外部耦合系數(shù)與抽頭對(duì)地距離的關(guān)系曲線，從而確定抽頭對(duì)地距離為3.3 mm，通過級(jí)間耦合系數(shù)與微帶線間距關(guān)系曲線從而確定微帶線間距3.4 mm。

2.2 濾波器整體電路聯(lián)合仿真

本文通過在 Agilent公司開發(fā)的 ADS（Advanced Design System）軟件仿真版圖和電路聯(lián)合模型，抽頭線梳狀線濾波器模型如圖5所示。

圖4 梳狀線濾波器級(jí)間耦合三維模型

圖5 梳狀線濾波器模型

再對(duì)其進(jìn)行仿真優(yōu)化后，得出了梳狀線濾波器的參數(shù)曲線，如圖6所示。

圖6 入實(shí)際模型后的梳狀線濾波器的仿真曲線

結(jié)合圖6可得，電調(diào)諧濾波器的頻率調(diào)諧范圍為0.997~1.503 GHz，符合本文所預(yù)期的頻段；插入損耗最大為4.554 dB，符合IL<5 dB的要求；相對(duì)帶寬為4.1%~4.2%，略大于4%；端口駐波比<2；帶外抑制>25 dB，滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)的需要。

需要注意的幾點(diǎn)是，濾波器的插損隨頻率的變化而變化，主要是由于等效串聯(lián)電阻的影響。濾波器的低頻端回波損耗特性并不是很好，這是由于在設(shè)計(jì)時(shí)所需用的是中心頻率為1.25 GHz的帶通濾波器，因此諧振器的長(zhǎng)度和抽頭對(duì)地距離以及耦合間距都是固定不變的 ，而抽頭位置決定外部耦合，因此在低頻端呈現(xiàn)過耦合狀態(tài)，在高頻端呈現(xiàn)欠耦合狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過提取參數(shù)法對(duì)濾波器模型進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了1~1.5 GHz 的電調(diào)諧梳狀線濾波器。仿真結(jié)果顯示此濾波器電調(diào)諧頻率范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小巧、插入損耗低。設(shè)計(jì)過程發(fā)現(xiàn)品質(zhì)因數(shù)更高的等效串聯(lián)電阻可以減小濾波器的插入損耗，改進(jìn)電調(diào)諧微帶線濾波器低頻和高頻下的駐波系數(shù)，同時(shí)通過改進(jìn)等效串聯(lián)電阻的偏置電路可以減小偏置電路對(duì)濾波器帶寬的影響。

[1] 李曉陸. 短波頻率管理技術(shù)[J]. 艦船電子技術(shù),2003, (5), 53-55.

[2] Penalva G. T., Risueno G. L., Alonso J. I. A simple method to design wide-band electronically tunable combline filters[J]. IEEE Trans, 2002, (50): 172-177.

[3] Jia-Sheng Hong. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications[J]. New York: John Wiley&Sons, 2001,(10): 12-15.

[4] Matthaei G. Comb-line band-pass filters of narrow or moderate bandwidth [J]. The Microwave Journa1,1993(1): 35-38.

[5] Thomas A. Dimensions of microstrip coupled lines and interdigital structures [J]. IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, 1977: 405-410.