全微帶結(jié)構(gòu)三階全范數(shù)橫向?yàn)V波器設(shè)計(jì)

吳景宇，位朝壘，李 晶

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)包括通帶選擇性、阻帶上的諧波抑制、帶寬、體積和重量等。小型化和高性能的微波濾波器始終是研究熱點(diǎn)［1－5］。與傳統(tǒng)縱向?yàn)V波器相比，橫向?yàn)V波器至少存在一個(gè)傳輸零點(diǎn)，并且傳輸零點(diǎn)可轉(zhuǎn)移，具有高選擇性［6］。全范數(shù)頻率響應(yīng)的有限頻率傳輸零點(diǎn)和傳輸極點(diǎn)數(shù)目相同，即有限頻率傳輸零點(diǎn)達(dá)到最多［7］。全微帶結(jié)構(gòu)濾波器具有小型化和易集成等優(yōu)點(diǎn)［8］。近來(lái)，基于微帶的橫向?yàn)V波器為微波濾波器領(lǐng)域的熱點(diǎn)［9］。文獻(xiàn)［10］首次提出了一類二階橫向微帶濾波器，分別利用了開路微帶線的奇模和偶模，但該類型橫向?yàn)V器在通帶低端存在寄生通帶。文獻(xiàn)［11］首次實(shí)現(xiàn)了微帶結(jié)構(gòu)的三階橫向?yàn)V波器，該濾波器利用了2個(gè)微帶諧振器的模式和1個(gè)波導(dǎo)模式，但波導(dǎo)模式的運(yùn)用使濾波器體積過(guò)大。文獻(xiàn)［12］首次實(shí)現(xiàn)了平面結(jié)構(gòu)的橫向?yàn)V波器，但需要在微帶的地上刻蝕出一個(gè)槽線諧振器，所以加工困難。

基于上述參考文獻(xiàn)以及文獻(xiàn)［13－17］的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)改變諧振器方式和耦合結(jié)構(gòu)，提出了全微帶結(jié)構(gòu)的三階全范數(shù)橫向?yàn)V波器，此三階橫向?yàn)V波器是基于短路枝節(jié)加載的雙模諧振器和偶模諧振器而構(gòu)造，源與負(fù)載容性直接耦合也運(yùn)用于該濾波器設(shè)計(jì)中。短路枝節(jié)加載的雙模諧振器，輸入輸出饋線和諧振器奇模之間的耦合強(qiáng)度大于與偶模之間的耦合強(qiáng)度，另一諧振器則必須選用工作模式為偶模的諧振器。文中選用的是兩端都短路的一段微帶線的偶模諧振器，從而形成全微帶結(jié)構(gòu)的三階全范數(shù)橫向?yàn)V波器。

1 偶模諧振器的工作原理

橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中偶模諧振器由一段中心接地的曲折傳輸線構(gòu)成，其工作原理如圖2所示，將圖中偶模諧振器的2個(gè)接地通孔合并，并把諧振器彎折，便形成如圖1所示的偶模諧振器結(jié)構(gòu)。

圖2 兩端都短路的微帶及其基模的電壓

由微波傳輸線基本理論可知，電場(chǎng)的分布可以表示成沿傳輸線分布的電壓波函數(shù)，而兩端短路的微帶線的基模歸一化的電壓波函數(shù)可表示為:

式中，l∈(0，L)，β0為電磁波在微帶介質(zhì)中的傳播常數(shù)。在圖2中也一并表示出了沿著微帶線的歸一化電壓波，其電壓波是關(guān)于諧振器中線對(duì)稱的，電場(chǎng)同樣關(guān)于中線對(duì)稱，因此兩端都短路的微帶線基模是偶模，當(dāng)微帶線長(zhǎng)度為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)發(fā)生諧振，最低偶模的諧振頻率可以表示為:

式中，εeff為微帶線的等效相對(duì)介電常數(shù);c為自由空間中的光傳播速度。

2 三階橫向?yàn)V波器設(shè)計(jì)

基于橫向?yàn)V波器的頻率響應(yīng)特性和源與負(fù)載之間的直接耦合，濾波器通帶兩側(cè)可實(shí)現(xiàn)存在3個(gè)有限頻率傳輸零點(diǎn)的全范數(shù)頻率響應(yīng)特性曲線，從而大大提高了濾波器的選擇性以及阻帶上的信號(hào)電平的抑制度［13］。三階橫向?yàn)V波器的設(shè)計(jì)理論是在二階橫向?yàn)V波器設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的［14］。該類型濾波器的模式耦合圖如圖3所示。圖3中深色代表源與負(fù)載，淺色代表該類型濾波器的3個(gè)諧振模式，輸入端進(jìn)入的信號(hào)和3個(gè)諧振模式同時(shí)耦合，分別經(jīng)過(guò)3條主傳輸路徑(由實(shí)線表示)到達(dá)輸出端，各信號(hào)通路之間不存在能量耦合。濾波器的通帶內(nèi)有fe1、f0和fe2三個(gè)諧振頻率。輸入與輸出端之間的耦合通路為次通路(由虛線表示)，其強(qiáng)度要小于主通路的耦合強(qiáng)度。輸入與輸出端之間的耦合是容性的，由負(fù)號(hào)表示。通過(guò)引入輸入輸出之間的直接耦合，便構(gòu)成了三階全范數(shù)橫向微帶濾波器。

該濾波器的耦合模式的耦合矩陣可表示為［15］:

圖3 三階橫向?yàn)V波器耦合模式圖

式中，MSe1、MS0和MSe2分別代表源與fe1、f0和fe2耦和系;MLe1、ML0和MLe2分別代表輸出端與fe1、f0和fe2的耦合系數(shù);Me1e1、Moo和Me2e2分別為 fe1、f0和fe2的自耦合系數(shù);MSL代表輸入輸出端之間的直接耦合系數(shù)。該濾波器存在對(duì)稱性，所以有以下關(guān)系:MSe1=MSe2、MSe2=MLe2和 MSo= － MLo。

該類型橫向?yàn)V波器的詳細(xì)設(shè)計(jì)指標(biāo)為:中心頻率為1.5 GHz，帶寬是80 MHz，最小回波損耗是22 dB，3個(gè)有限頻率傳輸零點(diǎn)分布在0.95 GHz、1.60 GHz和1.75 GHz。根據(jù)以上技術(shù)指標(biāo)，首先運(yùn)用濾波器耦合矩陣?yán)碚摰贸龈黢詈舷禂?shù)，通過(guò)耦合矩陣的變換與優(yōu)化，得到如式(4)的耦合矩陣，利用該耦合矩陣得出的頻率響應(yīng)曲線滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，通帶內(nèi)的回波損耗優(yōu)于22 dB，歸一化的傳輸零點(diǎn)分布于復(fù) S平面的 －j19.5、j2.7和 j5.2，相對(duì)帶寬為5.3%，反歸一化的絕對(duì)帶寬即為80 MHz。

根據(jù)濾波器耦合矩陣?yán)碚?，?4)中的矩陣的頻響特性為:2個(gè)傳輸零點(diǎn)位于通帶高端一側(cè)，1個(gè)傳輸零點(diǎn)位于通帶低端一側(cè)。變化S1可以改變MSo和MSe2的值，從而調(diào)節(jié)2個(gè)固有傳輸零點(diǎn)。改變S2和L5可以調(diào)節(jié) MSe1、Me1e1、Me2e2和Moo。改變短路枝節(jié)加載雙模諧振器和偶模諧振器的尺寸L3、L5和W5改變自耦合系數(shù)，3個(gè)自耦合系數(shù)的變化影響該濾波器的中心頻率與帶寬。輸入輸出端之間的縫隙寬度S可以改變輸入輸出端之間的直接耦合系數(shù)MSL，進(jìn)而可變化附加傳輸零點(diǎn)。

圖4為所設(shè)計(jì)的橫向?yàn)V波器仿真的S21曲線隨著S的變化情況，S代表輸入輸出端之間的耦合縫隙寬度。固有傳輸零點(diǎn)Tz1與Tz2是因?yàn)橹魍穫鬏數(shù)男盘?hào)相互作用而產(chǎn)生的，附加傳輸零點(diǎn)Tz3是因?yàn)橐肓溯斎胼敵龆酥g的直接耦合而產(chǎn)生的。隨著S的增大，Tz1與Tz3均遠(yuǎn)離通帶，而Tz2保持不動(dòng)，由于Tz3是因?yàn)橐胼斎胼敵龆酥g的直接耦合而產(chǎn)生的，當(dāng)S增加時(shí)，直接耦合強(qiáng)度減小，Tz3遠(yuǎn)離通帶;隨著S的增加，輸入輸出端口與偶模諧振器間的耦合強(qiáng)度減弱，因此Tz1也遠(yuǎn)離通帶。

圖4 濾波器仿真的S21隨S的變化

3 仿真結(jié)果分析

所設(shè)計(jì)的濾波器使用的介質(zhì)材料是RT5880，厚度為0.508 mm，損耗角正切為0.0009。根據(jù)所要求的技術(shù)指標(biāo)，利用廣義切比雪夫耦合矩陣，可得到耦合矩陣的理論曲線。通過(guò)對(duì)耦合矩陣中各耦合系數(shù)的反歸一化和變換，再由AWR中的TXLine插件計(jì)算得到粗略的濾波器尺寸，并以這些尺寸為三維電磁場(chǎng)仿真軟件的初值，再使用HFSS 13.0軟件優(yōu)化，得到設(shè)計(jì)濾波器的主要尺寸:L1=11 mm，L3=2.05 mm，L4=7.8 mm，L5=11 mm，L2=10 mm，R1=0.3 mm，R2=0.2 mm，S1=0.2 mm，S2=0.2 mm，S=0.4 mm，W2=0.3 mm，W1=0.3 mm，W3=1 mm，W5=2.5 mm，W4=0.4 mm，Wp=1.1 mm 以及 Wo=1.53 mm，各字母所代表物理量意義已示于圖1中。濾波器的實(shí)物照片如圖5所示，如果不考慮輸入輸出端口的饋線尺寸，所設(shè)計(jì)濾波器的尺寸大約只有11 mm ×20 mm，僅相當(dāng)于 0.076λg×0.14λg，λg是中心頻率對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波波長(zhǎng)，相比于文獻(xiàn)［10－12］中的類似結(jié)構(gòu)的濾波器，體積顯著減小。

圖5 三階橫向?yàn)V波器的實(shí)物照片

理論結(jié)果，仿真結(jié)果以及測(cè)試結(jié)果如圖6所示，其中測(cè)試和仿真的最小插損為1.7 dB和0.3 dB，最小回波損耗為16 dB和21 dB。測(cè)試的插損比較大，主要因?yàn)榧庸ふ`差和各種損耗而造成的。3個(gè)有限頻率的傳輸零點(diǎn)分布于0.95 GHz、1.57 GHz和1.75 GHz處。圖中的理論結(jié)果是通過(guò)耦合矩陣?yán)碚摼C合而得到的，因此沒有高次諧波。測(cè)試結(jié)果、仿真結(jié)果和理論結(jié)十分吻合。所設(shè)計(jì)的濾波器為全微帶結(jié)構(gòu)的，僅有一層電路，相比文獻(xiàn)［9］中的類似濾波器結(jié)構(gòu)，大大減小了制造的復(fù)雜程度。

圖6 理論、仿真和測(cè)試頻響曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一類基于短路枝節(jié)加載雙模諧振器和終端短路的諧振器的全微帶結(jié)構(gòu)的三階全范數(shù)橫向?yàn)V波器。該濾波器具有小型化、選擇性高和易于加工等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)輸入輸出端口之間的直接耦合以及橫向?yàn)V波器本身所特有的固有傳輸零點(diǎn)，該類型的三階橫向帶通濾波器在通帶兩側(cè)有3個(gè)傳輸零點(diǎn)，提高了濾波器的通帶選擇性，同時(shí)濾除掉不需要的諧波信號(hào)。實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了文中所提出的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了全微帶結(jié)構(gòu)的三階全范數(shù)橫向?yàn)V波器。 ■

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