一種發(fā)夾型微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)

張磊 姚志會(huì)

摘要 依據(jù)微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)原理，運(yùn)用ADS2009軟件構(gòu)建濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)，并在此軟件平臺(tái)中進(jìn)行建模及初步仿真，選擇關(guān)鍵參量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出了符合指標(biāo)要求的發(fā)夾型帶通濾波器設(shè)計(jì)模型，并根據(jù)該設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了產(chǎn)品加工及性能測(cè)試，性能測(cè)試分析表明此發(fā)夾型帶通濾波器具有帶內(nèi)平坦度好、差損小、應(yīng)用靈活等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】發(fā)夾型 帶通 濾波器設(shè)計(jì) 模型

濾波器是微波通信領(lǐng)域中許多設(shè)計(jì)問(wèn)題的中心，可用它們來(lái)分開(kāi)和組合不同的頻率，如在變頻器、倍頻器以及多路通信中。隨著電子通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，帶通濾波器在通訊、雷達(dá)、電子對(duì)抗、遙控遙測(cè)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在衛(wèi)星導(dǎo)航通信領(lǐng)域。

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，帶通濾波器是射頻收發(fā)系統(tǒng)的核心部件。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的頻率逐漸向更高的頻率領(lǐng)域擴(kuò)展，而一般的LC濾波器不能在C波段實(shí)現(xiàn)良好特性，微帶濾波器能夠完美契合這一點(diǎn)，同時(shí)微帶濾波器還具有帶內(nèi)平坦度好、差損小、成本低及可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。

對(duì)于微帶濾波器一般考慮以下指標(biāo)：

（1）頻率范圍。即濾波器通過(guò)或截?cái)嘈盘?hào)的頻率界限。

（2）通帶衰減。由濾波器殘存的反射以

及濾波器元件本身的損耗產(chǎn)生的。

（3）阻帶衰減（或通帶外衰減）。一般希望盡可能大，并希望在通帶范圍外，衰減值能夠陡峭的上升，一般取通帶外與截至頻率為一定比值的某頻率的衰減值作為此項(xiàng)指標(biāo)。

（4）帶內(nèi)平坦度指標(biāo)。即帶內(nèi)最大波動(dòng)與最小波動(dòng)之間的差值。一般作為衡量帶通濾波器較關(guān)鍵的指標(biāo)。

1 雙端口網(wǎng)絡(luò)

在射頻許多領(lǐng)域中濾波器網(wǎng)絡(luò)都是重要的基本組建元素，圖1所示為雙端口網(wǎng)絡(luò)框圖，微波網(wǎng)絡(luò)都是在此模型上進(jìn)行構(gòu)建的。

因?yàn)樵谖⒉娐分?，用入射波、反射波的概念更甚于電壓、電流，用反射系?shù)、駐波比的概念更甚于阻抗和導(dǎo)納。因此如果采用某種矩陣形式，其網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)引出端上的量就要和入射波、反射波對(duì)應(yīng)，而其網(wǎng)絡(luò)參量則要和反射系數(shù)、傳輸系數(shù)等微波參數(shù)一一對(duì)應(yīng)。

S參數(shù)定義為以下幾種。公式列舉如下所示，其主要表示出了微波網(wǎng)絡(luò)中最常見(jiàn)的四種主要S參數(shù)。

S22、S11主要反映網(wǎng)絡(luò)輸入輸出的反射特性，而相應(yīng)的S21、S12則反映了微波網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性。而需要定義定量的參數(shù)來(lái)精確反映器件f系統(tǒng)）的反射特性。反射系數(shù)是反射電壓入射信號(hào)電壓比值，反射系數(shù)為矢量，包含幅度和相位信息，分別反映反射信號(hào)與入射信號(hào)的幅度比值和相位差。造成反射的根本原因?yàn)樽杩共黄ヅ?，這個(gè)結(jié)論通過(guò)反射系數(shù)的計(jì)算公式可以得到直接反映。駐波比是通過(guò)傳輸線上信號(hào)包絡(luò)起伏大小來(lái)定義，當(dāng)全匹配時(shí)，傳輸線上只有輸入信號(hào)，包絡(luò)恒定，駐波比VSWR=1。微帶線在一定的條件下可以直接等效成集中式的電感電容，其轉(zhuǎn)換方式如下所示，這樣就實(shí)現(xiàn)了微帶線與電感電容之間的互相轉(zhuǎn)換，這也是微帶濾波器的最基本的原理性設(shè)計(jì)。

2 耦合微帶線

兩個(gè)相同參量的微帶線相互隔離S平行排列，即構(gòu)成了耦合微帶線，圖2所示為耦合微帶線結(jié)構(gòu)及其相對(duì)應(yīng)的耦合微帶線的等效電路。

整個(gè)一對(duì)微帶線，成了彼此之間具有分布互電容和互電感的分布參數(shù)系統(tǒng)，按照耦合微帶線的分布電感電容規(guī)則，可以得到耦合微帶線的等效電路。求出了耦合微帶線的四口網(wǎng)絡(luò)參量之后，很多單元電路的特性即可求得。實(shí)用上除了把耦合微帶線定向耦合器作為四口元件外，一般都把它作為濾波器電路單元。

通過(guò)一系列公式推導(dǎo)我們可以讓串聯(lián)分支線輸入阻抗己不等于零而開(kāi)始起作用，是電路的衰減上升，因而電路具有帶通特性。事實(shí)上，在其余幾個(gè)頻點(diǎn)附近，適當(dāng)選取0值也可以實(shí)現(xiàn)帶通特性。

直角彎折的電流線示意圖如圖3所示，在拐角地區(qū)如同有一個(gè)并聯(lián)電容，路徑的加長(zhǎng)如同時(shí)兩段短傳輸線或電感，等效電路如圖所示。

實(shí)際上常常使拐角不引起反射。為此，可以把拐角削去一塊，如圖4所示，根據(jù)不斷的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，給出了對(duì)應(yīng)的最佳削角角度。

3 仿真設(shè)計(jì)

利用Ansoft Desinger V3選取適合的帶通濾波器仿真模型對(duì)微帶帶通濾波器進(jìn)行建模，按照?qǐng)D5所示進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，可以通過(guò)改變微帶線的各參數(shù)如線寬、耦合線間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

設(shè)置發(fā)夾型微帶帶通濾波器中心頻點(diǎn)3.8GHz，帶寬為500MHz，擬采用5階的切比雪夫公式型進(jìn)行仿真擬合，通過(guò)調(diào)整微帶線的長(zhǎng)度及間距，可以改善帶通濾波器的S21、Sll的指標(biāo)，最終仿真曲線如圖6所示。

4 性能測(cè)試及結(jié)果分析

按照Ansoft Designer V3軟件仿真的數(shù)據(jù)，構(gòu)建微帶帶通濾波器的參數(shù)模型，調(diào)整微帶結(jié)構(gòu)的尺寸、參數(shù)等以達(dá)到濾波器的指標(biāo)要求，利用Altium Designer軟件進(jìn)行PCB印制板繪制。選用rogers4350板材，介電常數(shù)為3 48，印制板板厚1mm，采用印制板表面不阻焊，表面鍍金工藝加工印制板。

通過(guò)電裝焊接射頻SMA-K型號(hào)的接頭實(shí)現(xiàn)微帶帶通濾波器的整體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，加工兩段射頻同軸測(cè)試線用來(lái)測(cè)試微帶帶通濾波器的指標(biāo)，實(shí)際加工生產(chǎn)出來(lái)的發(fā)夾型微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)如圖7所示。

經(jīng)測(cè)試得到發(fā)夾型微帶帶通濾波器的帶內(nèi)平坦度、插損及駐波等的測(cè)試曲線，曲線如圖8所示。通過(guò)圖片可以看出在中心頻點(diǎn)3850MHz處帶寬80MHz的帶內(nèi)平坦度為±0.5dB左右，中心差損約為0.3 dB左右，駐波為1.2。與Ansoft Designer V3的仿真結(jié)果基本上一致，完全能夠滿足導(dǎo)航通信系統(tǒng)指標(biāo)的要求，整個(gè)印制板尺寸為25x40mm。

測(cè)試儀器為安捷倫信號(hào)分析儀N9340B和頻譜儀，測(cè)試電纜為同軸半柔性電纜，基本上對(duì)微帶帶通濾波器指標(biāo)的影響很小。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)利用Ansoft Designer V3軟件仿真設(shè)計(jì)出一種新型發(fā)夾型微帶帶通濾波器，進(jìn)行實(shí)際加工并進(jìn)行測(cè)試得出結(jié)論，該帶通濾波器平坦度及雜散等指標(biāo)較好，能夠滿足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。由于采用微帶結(jié)構(gòu)，能夠很好的實(shí)現(xiàn)C波段帶通濾波，降低成本的要求起到了重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]甘本祓，吳萬(wàn)春，現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，1973.

[2]王清芬 馬延爽 耦合系數(shù)法設(shè)計(jì)微波帶通濾波器及CAD實(shí)現(xiàn)[J]，無(wú)線電通信技術(shù)，2008， 34 （01）： 43-44.

[3]劉新紅.支節(jié)加載雙模帶通濾波器設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程，2016， 46 （03）： 62-64.

[4]趙歡歡，姚愛(ài)琴，孫運(yùn)強(qiáng)，一種新穎的雙頻微帶天線設(shè)計(jì)[J]，無(wú)線電通信技術(shù)，2016， 42 （02）： 63-65.

[5]余江，曹云建，一種2-4GHz寬帶接收機(jī)的小型化前端設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2016， 42 （02）： 96-98.

[6] Orchard，H.J.，Temes，G.C.： 'Filterdesign using transformedvariable'. IEEE Trans. CircuitTheory， 1968， 15， pp. 385-408.

[7lMinnis，B. J.： 'Classes of sub-miniature microwave printed circuitfilters with arbitrary passband andstopband widths' ，IEEE Trans. Microw.Theory Tech. ， 1982， 30， pp. 1893-1900

[8]Matthaei， G.L.： 'Interdigital band-pass filters' ，IRE Trans.Microw.Theory Tech， 1958， 10， pp. 479-491.