平行耦合微帶線帶通濾波器的研究與設(shè)計

路延

（陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710100）

隨著近年來無線通信技術(shù)的發(fā)展，具備小型化、高性能和低成本等諸多優(yōu)點的微帶線濾波器已成為廣泛應(yīng)用的射頻器件[1]。其中平行耦合微帶線濾波器是結(jié)構(gòu)簡潔、設(shè)計方便的一種，目前已具備了成熟的窄帶近似設(shè)計方法和寬帶近似設(shè)計方法[2]。采用寬帶近似設(shè)計方法，從低通原型濾波器[3]經(jīng)過頻率變換，求得各耦合單元的物理尺寸[4]。本文采用這種方法設(shè)計濾波器，利用CST軟件進行仿真，對其缺點引出更有優(yōu)勢的設(shè)計方法：全等寬平行耦合微帶線帶通濾波器。

1 平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計方法

1.1 平行耦合微帶線帶通濾波器

平行耦合微帶線帶通濾波器結(jié)構(gòu)簡潔、設(shè)計方便，目前已具備了成熟的近似設(shè)計方法。設(shè)計原理是采用近似設(shè)計方法，從低通原型濾波器經(jīng)過頻率變換，由低通原型元件值[5]，求得各耦合單元的奇偶模阻抗[6]，從而計算出各耦合單元的物理尺寸。

設(shè)計指標(biāo)：

1）中心頻率：f0=7.35 GHz；

2）相對帶寬：W=20.4%；

3）在頻率 f=5.5 GHz時，衰減大于30 dB；

4）微帶線特性阻抗為 Zc=50 Ω，介質(zhì)基片選 εr=9.6、h=1 mm的氧化鋁瓷片。

1.2 設(shè)計過程

1）設(shè)計低通原型：

由低通到帶通的頻率變換近似式為

用此變換式設(shè)計出低通原型的電抗元件數(shù)目n和元件值gk。

2）計算出導(dǎo)納變換器的歸一導(dǎo)納；

3）計算各段耦合線的奇偶模阻抗；

4）根據(jù) Zce、Zco和 εr查圖[6]可得每一對耦合微帶線的寬度和間距（W和S）

5）求1/4波長耦合節(jié)的長度；

由上面算得的W/h和S、h及εr查圖[7]可得相應(yīng)的偶奇模有效介電常數(shù)；

6）運用兩端50 Ω 線的寬度，通過查表[4]得 W/h=0.98，W=0.98 mm。

至此，這個濾波器的尺寸已計算出。

1.3 實驗仿真

根據(jù)上部分計算出的濾波器的物理尺寸在CST軟件上建模仿真。

圖1為該濾波器的在CST軟件上仿真結(jié)果。由圖可看出：

圖1 CST軟件仿真結(jié)果Fig.1 CST software simulation results

根據(jù)計算出的濾波器的物理尺寸在CST軟件上建模仿真。 1）通帶范圍是：6.7～8.1Ghz，即相對帶寬為 19.04%，基本滿足設(shè)計要求；2）在頻率f=5.5 GHz時，衰減為24.18 dB，還需繼續(xù)優(yōu)化；3）帶內(nèi)反射特性也未達(dá)到最佳。

2 全等寬平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計

由上述實驗結(jié)果可看出，傳統(tǒng)的平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計方法有很多不足之處：

1）參數(shù)過多，導(dǎo)致計算量很大，調(diào)試的工作量也很大；

2）經(jīng)過查找相關(guān)文獻(xiàn)可知，此種方法設(shè)計濾波器，相對帶寬一般在40%以內(nèi)[7]；

3）每個耦合節(jié)的寬度均不一樣，也會給機械加工帶來更大麻煩。

針對以上不足，本文將研究全等寬耦合線，即各節(jié)微帶線寬度W和間距S相等。這樣大大減少了計算量，濾波器結(jié)構(gòu)變得更簡單。

2.1 全等寬平行耦合微帶線帶通濾波器

文中使用的全等寬平行耦合微帶線帶通濾波器設(shè)計方法為：耦合線節(jié)級聯(lián)直接設(shè)計法[8]。這一設(shè)計方法不必應(yīng)用低通原型濾波器元件值，可采用各諧振器尺寸均勻并且等寬的結(jié)構(gòu)，適用的相對帶寬范圍為30～80%[9]。

級聯(lián)直接設(shè)計法的單位電路為圖2所示，開路式對稱耦合線節(jié)，他的A矩陣為[1]：

其中Zoe、Zoo分別為奇偶模特性阻抗，θ為電長度。

設(shè)計指標(biāo)：設(shè)計一耦合微帶線低通濾波器，要求：

1）中心頻率 f0=6 GHz；

2）通帶范圍f=3.9～8.1 GHz，在通帶范圍內(nèi)衰減小于3 dB；

圖2 開路式對稱耦合線節(jié)Fig.2 Open style symmetric coupled line knot

3）fs1=3.4 GHz，fs2=8.5 GHz時衰減值大于 40 dB；

4）輸入輸出微帶線特性阻抗Z0=50 Ω。

2.2 設(shè)計過程

以 θp1、θp2表示對應(yīng)于通帶邊界頻率 fp1、fp2的電長度，根據(jù)衰減要求，可初選m=2.5，N=4，并算得r=1.3。而 R0=Z0=50 Ω，故 Zoo=rR0=65 Ω，Zoe=rZoo=162.5 Ω；查手冊[10]：εr=6.0，耦合微帶線的奇偶模特性阻抗表中，W/h=0.2，S/h=0.2時，有Zoe=159.525 Ω，Zoo=64.38 Ω。 故 W=0.2 mm，S=0.2 mm；求 1/4 波長耦合節(jié)的長度：εee，εeo；兩端 50 Ω 線的寬度，最終經(jīng)計算查表[10]得 W/h=1.45 mm，W=1.45 mm。

至此，全等寬耦合微帶線帶通濾波器的尺寸已計算出。

2.3 軟件仿真

根據(jù)上部分計算出的濾波器的物理尺寸在CST軟件上建模仿真。

圖3 CST軟件建模Fig.3 CST software modeling

圖4 CST軟件仿真結(jié)果Fig.4 CST software simulation results

由圖可看出，

1）通帶范圍是基本滿足設(shè)計要求；

2）fs1=3.4 GHz，fs2=8.5 GHz時衰減值僅為 18 dB； 為滿足指標(biāo)要求。

3）帶內(nèi)反射特性未到最佳。

4 結(jié)論

通過傳統(tǒng)的平行耦合微帶線帶通濾波器的仿真實驗可以看出，此設(shè)計方法有很多不足之處：1）參數(shù)過多，導(dǎo)致計算量很大，調(diào)試的工作量也很大；2）經(jīng)過相關(guān)文獻(xiàn)可知，此種方法設(shè)計濾波器，相對帶寬一般在40%以內(nèi)[7]；3）每個耦合節(jié)的寬度均不一樣，也會給機械加工帶來更大麻煩。

全等寬平行耦合微帶線帶通濾波器的對比仿真實驗有如下結(jié)論：1）全等寬形式濾波器的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)平行耦合微帶線濾波器相對簡單，這可以大大較小設(shè)計、加工和調(diào)試的難度；2）全等寬形式的濾波器能實現(xiàn)較寬的帶寬，資料顯示其最寬可達(dá)到80%，這比傳統(tǒng)平行耦合微帶線濾波器優(yōu)良。

[1]清華大學(xué)編.微帶電路[M].1版.北京:人民郵電出版社.

[2]顧其諍，項家楨，袁孝康.微波集成電路設(shè)計[M].1版.北京:人民郵電出版社.

[3]廣東省郵電學(xué)校.微波技術(shù)基礎(chǔ)（下）[M].1版.北京:人民郵電出版社，1980.

[4]Matthaei G L,Young L,Jones E M T.Microwave Filter.Impedance-Matching Networks,and Coupling Structures[M].New York:McGraw-Hill,1980:585-595.

[5]雷振亞.射頻/微波電路導(dǎo)論[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[6]閆潤卿，李英惠.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，1997.

[7]高葆新等.微波電路計算機輔助設(shè)計（下）[M].1版.北京:清華大學(xué)出版社，1988.

[8]王安國，林杞楠.全等寬平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報，2000，5（1）:43-47.WANG An-guo，LIN Fei-nan.Congruent wide design parallel coupled microstrip line bandpass filler [J].Cricuits and Systems,2000,5(1):43-47.

[9]李奇威,郭陳江,張興華.平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計與優(yōu)化[J].電子設(shè)計工程，2012，20（4）：12-14，18.LI Qi-wei，GUO Chen-jiang，ZHANG Xing-hua.Design and optimization of the parallel coupled microstrip band-pass filler[J].Electronic Design Engineering,2012,20(4):12-14,18.

[10]周文表.微波集成電路計算機輔助設(shè)計手冊[M].1版.北京:人民郵電出版社，1988.