船載固態(tài)導(dǎo)航雷達(dá)帶通濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周 平

（武漢南華工業(yè)設(shè)備工程股份有限公司，武漢 430023）

隨著無線通信的迅猛發(fā)展，頻率資源的日益緊張，作為分離有用和無用信號(hào)的微波濾波器成為通信系統(tǒng)中的重要部件，其性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量[1]?，F(xiàn)在，微波濾波器已被廣泛應(yīng)用于微波、毫米波通信、微波導(dǎo)航、制導(dǎo)、遙測遙控、衛(wèi)星通信以及軍事電子對(duì)抗等多種領(lǐng)域，并對(duì)微波濾波器的要求也越來越高。高阻帶抑制、低通帶插損、寬頻帶、高功率、寄生通帶遠(yuǎn)和帶內(nèi)平坦群時(shí)延等成為用戶的主要技術(shù)指標(biāo)要求。同時(shí)，體積、成本、設(shè)計(jì)速度也是用戶極為關(guān)心的問題。因?yàn)榇蟛糠滞ㄐ畔到y(tǒng)收發(fā)鏈路共用一根天線，對(duì)雙工器乃至多工器的研究需求也越來越迫切。這就促使微波設(shè)計(jì)師們不斷研究和發(fā)展微波濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)[2]。

1 濾波器概述

濾波器的好壞對(duì)通信系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，近年來由于微帶電路的頻帶較寬、體積偏小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地運(yùn)用于射頻通信系統(tǒng)中，微帶濾波器也是其中運(yùn)用最廣泛的微帶電路之一[3]。濾波器按種類一般分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器；根據(jù)頻率響應(yīng)可以分為巴特沃茲濾波器、契比雪夫?yàn)V波器和橢圓函數(shù)濾波器，巴特沃茲濾波器在通帶具有最大平坦特性，而契比雪夫?yàn)V波器在通帶內(nèi)具有等波紋特性，他們的傳輸零點(diǎn)被定義在無窮遠(yuǎn)，而橢圓函數(shù)濾波器雖然具有有限頻率遠(yuǎn)處的傳輸零點(diǎn)，但是隨著濾波器階數(shù)的確定，其傳輸零點(diǎn)位置也是確定的[4]。船載固態(tài)導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)需要對(duì)9.4 GHz中心頻率的線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行濾波處理，平行耦合微帶線帶通濾波器在微波集成電路中是比較典型而且優(yōu)異的帶通濾波器，因此本文涉及的就是用平行耦合微帶線帶通濾波器對(duì)中心頻率為9.4 GHz的射頻信號(hào)進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)及仿真。

2 微帶濾波器工作原理

平行耦合微帶線構(gòu)成的帶通濾波器是一種常用的由四分之一波長耦合微帶線段組成的分布參數(shù)帶通濾波器，耦合傳輸線的原理是當(dāng)2個(gè)微帶傳輸線由于緊貼在一起而產(chǎn)生相互作用的電磁場時(shí)，傳輸線會(huì)由于電磁場的效果從而產(chǎn)生功率耦合[5]。

2.1 奇模和偶模的激勵(lì)

如圖1建立平行耦合微帶線相互作用的簡單模型，L為微帶線之間相互耦合的長度，W為微帶線的線寬，S為微帶線與微帶線之間的間距，H為介質(zhì)厚度，Er為介電系數(shù)，Z0為微帶線的特性阻抗，Z0e為微帶線偶模特性阻抗，Z0o為微帶線奇模特性阻抗[6]。

圖1 耦合微帶線結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of couple microstrip line

平行耦合微帶線能支持奇偶模的傳輸。在偶模激勵(lì)情況下，2條微帶線具有相同的電勢。在奇模激勵(lì)情況下，平行線具有相反的電勢。2種激勵(lì)模式可以在同時(shí)發(fā)生，如圖2所示。

圖2 耦合微帶線奇偶模磁、電場分布Fig.2 Distribute of magnetic and electric field of couple microstrip line odd and even model

2.2 級(jí)聯(lián)帶通濾波器

每條微帶線都具有一定的濾波特性，但是由于單條微帶線的濾波效果不能使頻率從陡峭的通帶過渡到平緩的阻帶，因此一般都會(huì)將多個(gè)微帶線進(jìn)行級(jí)聯(lián)，進(jìn)行級(jí)聯(lián)的微帶線電路的濾波效果則要優(yōu)秀得多，本文采用的就是級(jí)聯(lián)方式的平行耦合微帶線帶通濾波器[7]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 平行耦合微帶線帶通濾波器示意Fig.3 Diagram of parallel couple microstrip line filter

平行耦合微帶線帶通濾波器是現(xiàn)在一種應(yīng)用最為廣泛的濾波器，它是由幾節(jié)不需要對(duì)地連接的微帶線構(gòu)成的諧振器組成，因此它的結(jié)構(gòu)更加簡單也更加容易實(shí)現(xiàn)[8]，平行耦合微帶線帶通濾波器的電路版圖可以通過ADS軟件、HFSS軟件等仿真完以后直接生成，濾波器的電路一般都會(huì)印刷在毫米級(jí)的介質(zhì)基片上[9]。平行耦合微帶線帶通濾波器的橫向尺寸和縱向尺寸都具有比較優(yōu)異的性能，其橫向尺寸與波導(dǎo)和同軸線的橫向尺寸相比結(jié)構(gòu)要簡單的多，體積也更??；濾波器的縱向尺寸和工作波長差距不大，但是由于使用的毫米級(jí)且介電常數(shù)較高的介質(zhì)基片使得帶通濾波器線上的波長要比它的自由空間小了好幾倍甚至數(shù)十倍不等。整個(gè)平行耦合線帶通濾波器的這些結(jié)構(gòu)特性使整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)更加嚴(yán)謹(jǐn)、契合度更高，而且濾波器的電路使用的都是相同的地，電路版圖也是由數(shù)條微帶線組成，因此平行耦合線帶通濾波器的體積、重量相比其它類型的濾波器更加具有優(yōu)勢[10]。

平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)需要先綜合濾波器低通原型，再將原型低通濾波器轉(zhuǎn)換到要設(shè)計(jì)的帶通濾波器，平行耦合微帶線帶通濾波器的中心頻率用ωc表示，下邊頻和上邊頻分別用ωd和ωu表示，帶通濾波器的相對(duì)帶寬為B，帶通濾波器的頻率變量為ω，低通原型濾波器的頻率變量為ω′，低通原型濾波器的截止頻率為ω1′，將帶通濾波器轉(zhuǎn)換為低通原型：

然后通過查表得到帶通濾波器的歸一化原型參量，再根據(jù)歸一化原型參量計(jì)算導(dǎo)納倒置器參量J，其中Y0為傳輸線特性導(dǎo)納：

耦合線的奇偶模特性阻抗Z0o和Z0e可以通過公式計(jì)算得到：

3 濾波器設(shè)計(jì)與仿真

濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：中心頻率f0為9.4 GHz；相對(duì)帶寬為8%；插入損耗小于2 dB；在中心頻率9.4 GHz處回波損耗大于30 dB，在頻率8.6 GHz和10.2 GHz衰減大于20 dB；輸入輸出阻抗為50 Ω。

平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)可分為以下幾個(gè)步驟：

步驟1使用低通頻率到帶通頻率的轉(zhuǎn)換公式，并在設(shè)計(jì)的濾波器衰減特性及所需指標(biāo)基礎(chǔ)上計(jì)算出平行耦合微帶線帶通濾波器的階數(shù)，從而得到歸一化后的低通濾波器原型中的各個(gè)元件數(shù)值（這一部分的計(jì)算可以查表得之）；

步驟2用等效的網(wǎng)絡(luò)方法通過歸一化求出的元件數(shù)值來計(jì)算出各級(jí)微帶線的奇、偶模阻抗大?。?/p>

步驟3在知道各級(jí)奇、偶模阻抗數(shù)值的情況下使用ADS軟件自帶的工具得到最終設(shè)計(jì)的微帶線結(jié)構(gòu)尺寸。

根據(jù)設(shè)計(jì)的指標(biāo)，選用2階切比雪夫?yàn)V波器原型參數(shù)，可以獲得g0、g1與g2的大小，平行耦合微帶線帶通濾波器需要3節(jié)耦合微帶線級(jí)聯(lián)，通過式（5）和式（6）可以得到每節(jié)耦合微帶線的奇、偶模的特性阻抗，如表1所示，系統(tǒng)阻抗為50 Ω。

表1 耦合微帶線奇偶模的特性阻抗Tab.1 Characteristic impedance of couple microstrip line

知道平行耦合微帶線帶通濾波器的每節(jié)耦合線的奇偶模特性阻抗后，可以據(jù)此通過ADS軟件中的LineCalc線寬計(jì)算工具來算出耦合微帶線的寬度W、間隔S和長度L，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 微帶線的參數(shù)Tab.2 Parameter of microstrip line

本系統(tǒng)采用了平行耦合微帶線帶通濾波器對(duì)中心頻率為9.4 GHz的調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行了ADS仿真與優(yōu)化，仿真所使用的微帶線介質(zhì)基片厚度為H=10 mil，基片的相對(duì)介電常數(shù)為Er=3.66，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，微帶線金屬片的電導(dǎo)率為5.88×107，金屬片厚度為0.035 mm，微帶線的損耗角正切為0.002。由表2得到了各級(jí)平行耦合微帶線的尺寸，使用ADS軟件對(duì)帶通濾波器進(jìn)行仿真，平行耦合微帶線帶通濾波器的整體電路仿真如圖4所示（圖中3個(gè)MCFIL表示濾波器的3個(gè)耦合線節(jié)，2個(gè)MLIN表示濾波器兩端的引出線，控件MSub設(shè)置微帶線參數(shù)，控件VAR設(shè)置變量，控件GOAL優(yōu)化目標(biāo)）。

對(duì)平行耦合微帶線帶通濾波器的整體電路進(jìn)行仿真，得到的濾波器的特性曲線如圖5所示。從濾波器的特性曲線圖可以看到9.4 GHz中心頻率的調(diào)頻信號(hào)的回波損耗 S（1，1）是 35.08 dB，插入損耗是1.427 dB，在 8.6 GHz頻率的衰減 S（2，1）是28.056 dB，在 10.2 GHz頻率的衰減 S（2，1）是 26.167 dB。所有的仿真數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)需求。圖中：m1表示S（1，1）參數(shù)的最低點(diǎn)，這個(gè)值越低表示駐波越小，匹配越好；m2表示 S（2，1）參數(shù)最高點(diǎn)，說明帶內(nèi)損耗?。籱3、m4 分別表示 S（2，1）參數(shù)帶寬的高點(diǎn)和低點(diǎn)，表示帶外衰減滿足設(shè)計(jì)要求的帶寬范圍。

圖4 濾波器的電路仿真Fig.4 Simulation of microwave filter circuit

圖5 濾波器優(yōu)化后的特性曲線Fig.5 Optimize characteristics curve of microstrip line filter

設(shè)計(jì)要求濾波器9.4 GHz帶寬200 MHz，也就是說 9.3～9.5 GHz信號(hào)通過插損小也就是 S（2，1）要小，而帶外的信號(hào)要抑制，插損要大S（2，1）就要大，在 S（2，1）的圖上就看到一個(gè)峰。 而 S（1，1）的圖是反映駐波的，這個(gè)需要帶內(nèi)駐波越小越好。

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，我們通過ADS軟件能夠自動(dòng)生成平行耦合微帶線帶通濾波器的電路板圖，如圖6所示。

圖6 平行耦合線微帶帶通濾波器電路板圖Fig.6 PCB of parallel couple microstrip line filter circuit

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)ADS仿真及優(yōu)化后，本文設(shè)計(jì)的微帶線帶通濾波器的實(shí)物如圖7所示。

圖7 帶通濾波器實(shí)物Fig.7 Photo of parallel couple microstrip line filter

采用安捷倫E8267B信號(hào)發(fā)生器和安捷倫N9030A頻譜儀對(duì)帶通濾波器進(jìn)行插入損耗測試得到的數(shù)據(jù)如表3所示，根據(jù)測試的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的插入損耗S（2，1）分布如圖8所示，可以看出船載固態(tài)導(dǎo)航雷達(dá)9.4 GHz帶通濾波器在9.4 GHz中心頻率處的插入損耗是1.8 dB，在8.6 GHz和10.2 GHz的衰減也是大于20 dB，滿足設(shè)計(jì)需求。

表3 帶通濾波器系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)Tab.3 Testing data of band pass filter system

圖8 帶通濾波器損耗曲線Fig.8 Loss curve of band pass filter

5 結(jié)語

本文以平行耦合微帶線帶通濾波器的原理為基礎(chǔ)，結(jié)合ADS仿真軟件對(duì)船載固態(tài)導(dǎo)航雷達(dá)9.4 GHz中心頻率信號(hào)進(jìn)行濾波處理。通過ADS軟件仿真與優(yōu)化后，得到滿足設(shè)計(jì)要求的濾波器電路，并生成電路版圖，減少了設(shè)計(jì)者的工作量，具有一定的參考價(jià)值。

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