一種性能優(yōu)化的發(fā)夾型微帶線濾波器的分析與設(shè)計(jì)

王宇飛

(海軍駐武漢地區(qū)通信代表室,武漢 430070)

0 引言

濾波器是無(wú)線通信系統(tǒng)的重要無(wú)源器件之一，在射頻、微波、毫米波通信、衛(wèi)星導(dǎo)航定位以及遙感遙測(cè)等領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用，其性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的整體性能和通信質(zhì)量[1]。近年來(lái)，隨著微波、毫米波通信技術(shù)的發(fā)展，特別是便攜式智能移動(dòng)通信終端的快速發(fā)展，濾波器正朝著體積小、質(zhì)量輕、低損耗、易集成等方向發(fā)展[2]，由于微帶線濾波器具有這些優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代移動(dòng)通信（4G/5G）集成濾波器的首選方案，近年來(lái)備受關(guān)注[3]。研究人員先后提出了多種微帶線濾波器，其中，比較常用的微帶線濾波器主要有平行耦合線濾波器[4]、交指濾波器[5]以及梳妝線濾波器[6]。平行耦合線濾波器由于在各平行耦合節(jié)上進(jìn)行同方向級(jí)聯(lián)處理，導(dǎo)致尺寸較大；交指濾波器和梳妝線濾波器的過(guò)孔設(shè)置，導(dǎo)致了高頻信號(hào)的震蕩誤差和干擾，限制了其應(yīng)用和發(fā)展。而微帶型發(fā)夾濾波器由于結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、成本低以及不需要接地，消除了過(guò)孔引入的高頻誤差，具有更加魯棒的電性能[7,8]，在現(xiàn)代微波電路中備受青睞。

但是，目前設(shè)計(jì)的多數(shù)帶通濾波器沒(méi)有考慮交調(diào)畸變的影響，導(dǎo)致通帶內(nèi)波紋起伏較大，衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致接收機(jī)在解調(diào)信號(hào)的時(shí)候，對(duì)中頻信號(hào)產(chǎn)生了一定的帶內(nèi)干擾，并且會(huì)產(chǎn)生一定程度的衰減，因此，在進(jìn)行微帶線濾波器設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須對(duì)帶內(nèi)畸變干擾的抑制方法進(jìn)行深入分析，降低通帶損耗，最大可能的減少畸變干擾及衰減對(duì)有用信號(hào)的影響。有的文獻(xiàn)采用矩形調(diào)諧短截線的共面波導(dǎo)饋入電容微帶折疊L型槽天線結(jié)構(gòu)，有的文獻(xiàn)通過(guò)引入阻抗結(jié)題跳變的階躍阻抗諧振器以及在傳統(tǒng)平行耦合器末端增加開(kāi)路短截線結(jié)構(gòu)，雖然這些方法有效的抑制了高頻諧波分量，改善了濾波器的整體性能，但均沒(méi)考慮通帶內(nèi)交調(diào)畸變的影響，且設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，抑制效果一般，無(wú)法滿足現(xiàn)代通信設(shè)備小型化及其性能的需求。

在分析發(fā)夾型濾波器基本原理的基礎(chǔ)上，本文提出了一種用于抑制通帶內(nèi)波紋起伏及減小帶內(nèi)衰減的新方法。首先，在傳統(tǒng)發(fā)夾濾波器結(jié)構(gòu)之后加入短路短截線與諧波四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路短截線并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，能夠在不影響有用信號(hào)的情況下，很好地抑制交調(diào)干擾。然后，通過(guò)采用微帶徑向短截線（MRSTU）擴(kuò)大抑制干擾帶寬，實(shí)現(xiàn)通帶內(nèi)寬頻帶干擾的有效抑制。最后，基于本文方法設(shè)計(jì)了一款2.3GHz到2.5GHz的五階發(fā)夾型帶通濾波器，將所設(shè)計(jì)的濾波器性能同目前常用的帶通型發(fā)夾濾波器的性能進(jìn)行了比較，并給出了本文設(shè)計(jì)濾波器的群延遲特性和駐波比（VSWR）.

1 微帶線發(fā)夾型濾波器原理分析

微帶線發(fā)夾型濾波器是由平行耦合線的半波長(zhǎng)諧振線對(duì)折而成，其諧振單元如圖1（a）虛線框所示，可以等價(jià)為圖1（b）所示結(jié)構(gòu)，其阻抗矩陣為（1）式。其中Z0e、Z0o分別表示傳輸線偶模、奇模特性阻抗，β表示傳輸線的相位延遲因數(shù)，l為傳輸線的長(zhǎng)度。

將阻抗矩陣變?yōu)閭鬏斁仃?，即ABCD參量矩陣。

圖1 發(fā)夾型濾波器結(jié)構(gòu)及其電路等效

微帶線耦合單元可以用圖1（c）中由J導(dǎo)納倒置器連接兩端長(zhǎng)度為L(zhǎng)的微帶線電路等效，根據(jù)傳輸線傳輸矩陣，容易寫出等效電路的傳輸矩陣為

化簡(jiǎn)即

其中Y0為輸入和輸出端口傳輸線的特性導(dǎo)納，Y0＝1 /Z0。由（2）式和（4）式等價(jià)，并取L為1/4波長(zhǎng)，即βL＝π/ 2，可以得到

（5）式中，J導(dǎo)納轉(zhuǎn)置器的導(dǎo)納J為：

其中，gi是標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)原型值,BW是濾波器帶寬。將（6）式代入到（5）中就可以求得耦合微帶線的偶模、奇模特性阻抗，再利用軟件即可以得到耦合微帶線的線寬、線長(zhǎng)以及間距。

2 考慮通帶交調(diào)畸變影響分析

傳統(tǒng)的發(fā)夾型濾波器都是采用彎折微帶線構(gòu)成，雖然體積相對(duì)于其他濾波器有所減小，但是帶內(nèi)波紋起伏較大，且對(duì)有用信號(hào)存在衰減，影響了濾波器的性能。該部分在傳統(tǒng)發(fā)夾濾波器結(jié)構(gòu)之后引入了短路短截線與帶通頻率四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路短截線并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，采用諧振的思想抑制帶內(nèi)交調(diào)干擾，并對(duì)抑制性能進(jìn)行了理論分析。由于這種抑制方法只能針對(duì)單點(diǎn)頻率取得最優(yōu)值，為了擴(kuò)展到整個(gè)通帶內(nèi)的抑制能力，分析中采用微帶徑向短截線（MRSTU）代替直接微帶線，實(shí)現(xiàn)通帶內(nèi)寬頻帶干擾的有效抑制。假設(shè)已知終端有載傳輸線的輸入阻抗為

因在四分之一波長(zhǎng)處開(kāi)路短截線ZL＝∞，則Zin＝0 等效于短路接地，因此相應(yīng)的信號(hào)被抑制。這里開(kāi)路短截線起到了陷波器的作用，將電路中的無(wú)用信號(hào)濾除，有效消除通帶內(nèi)的波紋，并且有效減少通帶內(nèi)的衰減。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，通常采用并聯(lián)電路諧振時(shí)表現(xiàn)的阻抗最大特性進(jìn)行選頻。考慮到開(kāi)路短截線相當(dāng)于電容，短路短截線相當(dāng)于電感，兩者并聯(lián)等效于構(gòu)成了一個(gè)有效的LC諧振電路。發(fā)生LC并聯(lián)諧振的條件為

可以計(jì)算相應(yīng)的諧振阻抗為

由于諧振電路中電感感抗值與電容容抗值大小相等，相位相反，即

可以計(jì)算相應(yīng)的諧振電路總阻抗為Z＝∞。由于當(dāng)前應(yīng)用的多數(shù)發(fā)夾濾波器的輸出阻抗為50 Ω。因此，這種結(jié)構(gòu)在有效抑制波紋信號(hào)的前提下，對(duì)有用信號(hào)基本上不產(chǎn)生影響。由于紋波四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路短截線是固定的，要使抑制效果在一定帶寬內(nèi)達(dá)到有效效果需要不斷的改變短路短截線長(zhǎng)度，在設(shè)計(jì)分析中發(fā)現(xiàn)使用直微帶短截線效果沒(méi)有達(dá)到抑制寬帶波紋的要求，為了在寬帶范圍內(nèi)抑制波紋干擾，采用微帶徑向短截線代替直微帶短截線。由于 MRSTUB具有比直微帶短截線更寬的頻率范圍，更加適合在寬頻帶內(nèi)使用，有效擴(kuò)大了抑制諧波的帶寬，并且能夠有效降低濾波器通帶內(nèi)的損耗。具體的諧振電路的匹配結(jié)果如圖2所示。

圖2 通帶交調(diào)干擾抑制原理圖

3 設(shè)計(jì)實(shí)例及性能分析

根據(jù)前面的分析，該部分設(shè)計(jì)一個(gè)五階的帶通發(fā)夾型微帶濾波器。其通帶為2.35～2.55 GHz，電路板參數(shù)為基板厚度h=1mm，介電常數(shù)Er=4.4，導(dǎo)體電導(dǎo)率 Cond=5.88E+7，導(dǎo)體厚度T=0.03 mm，損耗正切TanD=0.008。在設(shè)計(jì)濾波器過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化濾波器結(jié)構(gòu)，將濾波器的耦合線線寬設(shè)計(jì)為相同，取1.65 mm，耦合線線長(zhǎng)L取四分之一波長(zhǎng)，這里取17.6 mm，將彎折線長(zhǎng)L0取為2.3 mm，所以將發(fā)夾壁長(zhǎng)l取13 mm，抽頭取發(fā)夾壁中心位置即可。濾波器的原件數(shù)選擇N=3，利用ADS軟件計(jì)算出耦合微帶線的線寬W和間距S，結(jié)果如表1所示。

表1 各階耦合微帶線參數(shù)

3.1 原理圖仿真對(duì)比分析

該部分將普通發(fā)夾微帶濾波器與本文方法設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行了原理仿真分析，圖3、圖4分別給出了普通發(fā)夾微帶濾波器和本文設(shè)計(jì)濾波器的一節(jié)耦合單元。仿真中主要針對(duì)帶內(nèi)紋波平坦度以及帶內(nèi)損耗進(jìn)行了分析。其仿真結(jié)果如圖5至圖8所示。由圖5可以看出，普通發(fā)夾帶通濾波器的帶內(nèi)紋波起伏較大，帶內(nèi)衰減最大值達(dá)到了-10.759 dB，在不僅過(guò)優(yōu)化的情況下，基本上是不能直接應(yīng)用于通信系統(tǒng)的。

圖3 普通濾波器的一階耦合單元

圖4 本文濾波器的一階耦合單元

圖5 普通濾波器通帶平坦度及損耗

圖6 普通濾波器回波反射系數(shù)及損耗

圖6展示了普通發(fā)夾帶通濾波器的回波系數(shù)和損耗，在通帶內(nèi)發(fā)射系數(shù)較大，進(jìn)一步說(shuō)明了信號(hào)在通帶內(nèi)存在較大的衰減。圖7中可以看出，經(jīng)過(guò)本文方法優(yōu)化以后的濾波器通帶平坦，通帶內(nèi)的最大損耗只有-0.803 dB，且圖8中的最大反射系數(shù)只有-14.223 dB，性能明顯改善，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

圖7 本文濾波器通帶平坦度及損耗

圖8 本文濾波器回波反射系數(shù)及損耗

3.2 版圖仿真分析

為進(jìn)一步說(shuō)明本文設(shè)計(jì)濾波器的優(yōu)越性和實(shí)用性，針對(duì)所設(shè)計(jì)的原理電路生成了相應(yīng)的PCB版圖，并對(duì)濾波器的實(shí)際效果進(jìn)行了版圖分析。

圖9 本文濾波器版圖

圖9為本文方法生成的濾波器版圖。為了分析該濾波器在實(shí)際應(yīng)用中的性能，對(duì)群延遲特性和駐波比進(jìn)行了分析，圖10和圖11分別給出了相應(yīng)的分析結(jié)果。有圖10中可以看出，在通帶內(nèi)群延遲特性保持了較好的線性度，滿足應(yīng)用的實(shí)際需求；圖11中的駐波比在通帶內(nèi)的最大值為1.483，也滿足了實(shí)際應(yīng)用的要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)普通微帶型發(fā)夾濾波器的波紋震蕩較大、帶內(nèi)衰減嚴(yán)重的問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化分析，在充分分析發(fā)夾濾波器原理的基礎(chǔ)上，提出了一種新的設(shè)計(jì)方法，在傳統(tǒng)發(fā)夾濾波器結(jié)構(gòu)之后加入短路短截線與諧波四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路短截線并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，有效抑制了帶內(nèi)交調(diào)干擾。采用MRSTU擴(kuò)大抑制干擾帶寬，實(shí)現(xiàn)通帶內(nèi)寬頻帶干擾的有效抑制。同過(guò)ADS原理仿真分析和版圖仿真可以看出，本文方法設(shè)計(jì)的微帶型發(fā)夾濾波器的帶內(nèi)紋波平坦，帶內(nèi)衰減改進(jìn)了近10 dB，回波損耗減低了近 15 dB，且通帶內(nèi)群延遲保持了較好的線性度，完全滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)的指標(biāo)需求。但是考慮到ADS軟件建立仿真近似模型的系統(tǒng)誤差以及實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中的材料和加工工藝等問(wèn)題，最后的產(chǎn)品可能和仿真分析的效果有一定的偏差，因此，在下一步的研究中，將主要針對(duì)實(shí)際產(chǎn)品的進(jìn)一步優(yōu)化展開(kāi)。

圖10 本文濾波器群延遲特性

圖11 本文濾波器駐波比

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