一種毫米波微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)*

王文才,陳昌明,楊　剛

(成都信息工程學(xué)院通信工程學(xué)院,成都 610225)

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一種毫米波微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)*

王文才,陳昌明*,楊剛

(成都信息工程學(xué)院通信工程學(xué)院,成都 610225)

摘要:基于小反射理論,引入Klopfenstein阻抗?jié)u變線對傳統(tǒng)發(fā)夾型諧振器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了一種相對帶寬為8%的結(jié)構(gòu)緊湊型毫米波帶通濾波器。采用S參數(shù)的多項(xiàng)式綜合方法得到耦合矩陣電路模型,利用三維電磁場全波仿真軟件HFSS擬合出耦合系數(shù)與諧振器間距、外部品質(zhì)因數(shù)與抽頭位置的關(guān)系曲線,進(jìn)而提取出耦合矩陣對應(yīng)濾波器的物理尺寸。實(shí)測結(jié)果表明:在28.8 GHz～31.2 GHz頻帶內(nèi),該濾波器的插損小于3.0 dB,回波優(yōu)于-17 dB,帶外抑制大于40 dB@33 GHz,測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞:濾波器;發(fā)夾諧振器;耦合矩陣;外部品質(zhì)因數(shù)

發(fā)夾式微帶帶通濾波器由于其微帶線終端開路無需過孔接地,且具有結(jié)構(gòu)緊湊,易于集成等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種微波通訊電路中。通常的發(fā)夾式濾波器結(jié)構(gòu)[1-2]當(dāng)應(yīng)用在微波高頻端,特別是毫米波波段時,受諧振器U型彎頭寄生電抗和邊緣耦合加載作用的影響往往需要對耦合器的長度進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)、調(diào)整和修正[2],且為了減小由抽頭線阻抗變換不連續(xù)造成的信號反射和損耗,對加工工藝要求高。本文采用一種改進(jìn)型的發(fā)夾諧振器結(jié)構(gòu),很好地補(bǔ)償了微帶不連續(xù)造成的信號損耗和耦合加載對電路精確設(shè)計(jì)的影響,且該改進(jìn)型結(jié)構(gòu)簡單,易于實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)出的毫米波濾波器性能良好。

1　濾波器設(shè)計(jì)的基本原理

1.1改進(jìn)型發(fā)夾式濾波器的設(shè)計(jì)理論

傳統(tǒng)抽頭線諧振器結(jié)構(gòu)的示意圖如1(a)所示。為了實(shí)現(xiàn)端口阻抗與諧振器內(nèi)阻之間最短和最優(yōu)的阻抗匹配,從而減小反射和損耗,根據(jù)小反射理論,引入Klopfenstein阻抗?jié)u變線對傳統(tǒng)抽頭線諧振器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)[3],如圖1(b)所示。

Klopfenstein漸變特征阻抗變化的自然對數(shù)為[3-4]:

0≤z≤L

(1)

圖1　改進(jìn)前后抽頭發(fā)夾諧振器結(jié)構(gòu)

圖2給出一組滿足Klopfenstein漸變線通帶要求的HFSS仿真結(jié)果。由圖可知:抽頭與50Ω微帶線間引入Klopfenstein阻抗?jié)u變線對減小諧振器內(nèi)外阻抗不連續(xù)造成的信號反射和損耗有顯著作用。

圖2　改進(jìn)前后抽頭線S11仿真結(jié)果

1.2濾波器幾何參數(shù)提取

決定濾波器性能的耦合電路模型參數(shù)主要有:諧振頻率,耦合系數(shù)以及外部Q值;與之相對應(yīng)的濾波器結(jié)構(gòu)尺寸主要包括:發(fā)夾臂長L1和線寬W、發(fā)夾間距S和I/O端口抽頭位置q。運(yùn)用耦合矩陣濾波器電路模型和電磁仿真器可以提取濾波器物理尺寸。

采用切比雪夫?yàn)V波器低通原型,由濾波器設(shè)計(jì)要求可得濾波器階數(shù)N及低通原型的歸一化數(shù)值:g0,g1,g2,…,gN+1。利用有效遞歸技術(shù)可以推導(dǎo)出這類濾波器的傳輸和反射多項(xiàng)式[5],綜合出諧振器串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的N×N耦合矩陣CM(CouplingMatrix)[5-6]為:

(2)

其中 Mj,j+1表示相鄰諧振器間歸一化的耦合元件值,且Mij=Mji;R1和Rn為歸一化輸入輸出耦合的電抗參數(shù)。

(3)

諧振器間的耦合系數(shù)Kij和輸入輸出耦合Qe可由耦合矩陣元件值Mij以及電抗參數(shù)R1和Rn推導(dǎo)出:

(4)

(5)

BW為帶通濾波器的設(shè)計(jì)帶寬。

建立圖1(b)示改進(jìn)型諧振器模型,利用Eigenmode求解器設(shè)計(jì)發(fā)夾臂長L1、線寬W以及平行雙臂間的間距a使其諧振在帶通濾波器的中心頻率處。L1約為:

(6)

式中:λ0是濾波器中心頻率的自由空間傳播波長;λg是濾波器實(shí)際波長;有效介電常數(shù)εre可表示為:

(7)

其中,εre是基片的相對介電常數(shù),h是基片厚度,w是微帶線寬。

利用參數(shù)提取技術(shù),建立2個反向平行排列、間距為S的上述諧振器模型。在HFSS中用Eigenmode求解器的雙模分析法提取2個模頻率:fp1和fp2,使它們關(guān)于濾波器的中心頻率f0對稱,則兩諧振器間耦合系數(shù)K可由式(8)計(jì)算得出[7],且隨發(fā)夾諧振器間間距S的改變而變化。

(8)

文獻(xiàn)[2]中提到通過I/O端口諧振器S11的相位偏移±90°對應(yīng)帶寬計(jì)算外部品質(zhì)因數(shù)的方法,由于存在EM仿真與等效電路的參考面不能很好地匹配而引起額外的相位偏移,造成提取的Qe不夠準(zhǔn)確。發(fā)夾濾波器外部品質(zhì)因數(shù)可以通過計(jì)算輸入輸出諧振器的反射系數(shù)S11在ω0處的群時延分析得到[8-9]。

(9)

其中,τmax是輸入端反射系數(shù)S11對應(yīng)的最大群時延值。

2　設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)實(shí)際工程需要設(shè)計(jì)并制造一個相對帶寬為8%的毫米波微帶帶通濾波器,其主要指標(biāo)為:中心頻率為30GHz,通帶帶寬為2.4GHz,帶內(nèi)插損小于3dB,帶外抑制大于40dB@33GHz,輸入輸出端口均為50Ω的微帶線。選用Rogers公司的Duriod5880介質(zhì)基片制作電路,其相對介電常數(shù)εr=2.22,基片厚度d=0.254mm。

根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo),選用5階通帶紋波為0.01dB的Chebyshev濾波器低通原型,其歸一化數(shù)值為:g1=g5=0.756 3;g2=g4=1.304 9;g3=1.577 3;g0=g6=1.0;綜合出耦合矩陣為:

(10)

且R1=1.322 2;Rn=1.322 2;由式(4)、式(5)計(jì)算出相鄰諧振器間的耦合系數(shù)和外部品質(zhì)因數(shù):Qe1=Qen=11.34;K1,2=K4,5=0.067;K2,3=K3,4=0.046。

至此,已求得設(shè)計(jì)該濾波器所需的全部耦合矩陣電路模型值,然后利用參數(shù)提取技術(shù)將其轉(zhuǎn)換成濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸。首先設(shè)計(jì)如圖1(b)所示改進(jìn)型發(fā)夾諧振器單元,使其諧振在帶通濾波器的中心頻率f0(30GHz)處。得到發(fā)夾臂長L1=1.6mm,線寬W=0.4mm,雙臂間距a=0.3mm,削角長度b的常用值選1.8W。

然后建立2個反向平行排列的上述諧振器模型,調(diào)整相鄰諧振器間距得到耦合系數(shù)隨之變化的曲線,如圖3所示,從圖中直接讀出耦合系數(shù)的計(jì)算值0.067,0.046對應(yīng)的耦合間距S為:S1,2=0.3mm,S2,3=0.4mm?？梢?耦合系數(shù)在一定范圍內(nèi)隨著諧振器間距的增大而減小,這與實(shí)際情況相符。

圖3　耦合系數(shù)與耦合間距的關(guān)系曲線

由式(9)間接得到外部品質(zhì)因數(shù)與不同抽頭位置的關(guān)系曲線如圖4所示,由圖4可知:外部品質(zhì)因數(shù)的計(jì)算值Qe1=Qen=11.34對應(yīng)抽頭的位置q=-0.3 mm。

圖4　外部品質(zhì)因數(shù)與抽頭位置的關(guān)系曲線

通過以上分析,確定濾波器模型各結(jié)構(gòu)尺寸的初值,以此為基礎(chǔ)在美國Ansoft公司的HFSS13.0中對濾波器的整體模型進(jìn)行三維電磁場分析,精心設(shè)計(jì)優(yōu)化后得到濾波器的最終實(shí)物圖如圖5所示,其電路尺寸為14.6 mm×5.8 mm。

圖5　濾波器實(shí)物圖

利用安捷倫公司的N5244A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試,最后得到仿真結(jié)果及實(shí)測結(jié)果如圖6所示。

圖6　濾波器結(jié)果對比圖

由圖6知整個發(fā)夾濾波器的插損略為2.7 dB且矩形系數(shù)較好。在27 GHz～33 GHz頻段內(nèi)濾波器的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,但存在一定的頻偏,其主要原因有:加工誤差,由于電路工作在毫米波波段,微帶電路對加工精度要求比較高;其次非相鄰諧振器間互耦合的影響;最后是測試誤差。

3　結(jié)論

本文提出了一種對抽頭線發(fā)夾濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化的方法,基于此設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的毫米波微帶發(fā)夾式濾波器。實(shí)測結(jié)果表明,該改進(jìn)型濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、插損小、矩形系數(shù)好、易于加工制作等優(yōu)點(diǎn),且是平面結(jié)構(gòu),無需引入轉(zhuǎn)換器,在微波通信中具有較好的應(yīng)用前景。對設(shè)計(jì)同種類型乃至其他結(jié)構(gòu)的濾波器有一定借鑒意義。

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王文才(1987-),男,漢族,甘肅天水人,成都信息工程學(xué)院通信工程學(xué)院,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槲⒉ㄉ漕l電路與系統(tǒng),haocaiww@163.com;

陳昌明(1971-),男,漢族,四川安縣人,成都信息工程學(xué)院通信工程學(xué)院,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)樯漕l、微波毫米波電路與系統(tǒng);

楊剛(1988-),男,漢族,四川南充人,成都信息工程學(xué)院通信工程學(xué)院,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槲⒉娐吩O(shè)計(jì)。

DesignofMillimeter-WaveMicrostripBandpassFilter*

WANGWencai,CHENChangming*,YANGGang

(School of Communication Engineering,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China)

Abstract:A millimeter-wave microstrip bandpass filter of a 8% fraction bandwidth is presented here.It is developed from the traditional hairpin resonator structure with introducing the Klopfenstein impedance taper which is based on the theory of small reflection.First,coupling matrix model is derived with synthesis methods of Chebyshev transfer and reflection polynomials.Then the curve of coupling coefficient versus coupling spacing and the curve of external quality factor versus tap location are calculated and plotted with HFSS.Finally,the physical dimensions of the corresponding filter can be extracted from the results above.The test result shows that the insertion loss is less than 3 dB and the return loss is better than -17dB in the frequencies of 28.8 GHz to 31.2 GHz,besides the out-of-band rejection level is larger than 40 dB at the frequency of 33 GHz.The result matches with the simulations very well.

Key words:filter;hairpin resonator;coupling matrix;external quality factor

doi:EEACC:127010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.012

中圖分類號:TN713

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0855-04

收稿日期:2013-10-29修改日期:2013-11-15

項(xiàng)目來源:四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(13ZA0087)