Ku頻段發(fā)夾型濾波器小型化設(shè)計

王 新，楊 凱，李其強

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

濾波器在微波毫米波系統(tǒng)中起著重要的作用，它可以用來分離和組合不同頻率的信號。隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展亟需小型化的、性能優(yōu)異的濾波器來減小系統(tǒng)的成本、提升系統(tǒng)的性能。微帶線濾波器由于其結(jié)構(gòu)緊湊、易于制造等特點受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1-3]。

階梯阻抗諧振器(Stepped-Impedance Resonators,SIR)通過改變阻抗比，不僅可以減小諧振器尺寸，還可以調(diào)整寄生通帶的位置從而改善阻帶特性[4-5]，文獻[6]對四分之一波長、二分之一波長和一個波長的階梯阻抗諧振器的原理及實際應(yīng)用進行了詳細的分析，包括其諧振條件、諧振器長度、寄生通帶和等效電路。為了減小濾波器尺寸，文獻[7]將二分之一波長階梯阻抗諧振器應(yīng)用于發(fā)夾型帶通濾波器，在一定程度上減小了諧振器尺寸；Sagawa等人[8]提出了采用終端開路的平行耦合線取代開口環(huán)形諧振器[9-10]中的集總電容的小型化發(fā)夾型諧振器，進一步減小了諧振器的尺寸；Sheng-Yuan Lee等人[11]則通過將傳統(tǒng)的發(fā)夾型階梯阻抗諧振器與小型化的發(fā)夾型諧振器有機地結(jié)合在一起，進行合理的電路布局，設(shè)計出了極為緊湊的發(fā)夾型帶通濾波器。

1 小型化諧振器

圖1(a)為四分之一波長階梯阻抗諧振器示意圖，其由兩段特征阻抗為Z1、Z2的傳輸線組成，電長度分別為θ1、θ2。忽略傳輸線的不連續(xù)性，開路端的輸入導(dǎo)納可以表示為：

(1)

式中，Y1=1/Z1，Y2=1/Z2。根據(jù)諧振器的諧振條件Yi=0，可以得到：

tanθ1?tanθ2=RZ，

(2)

式中，RZ=Y1/Y2=Z2/Z1。此時諧振器的總長度可以表示為：

(3)

由上式可知，當RZ小于1時，可以使諧振器小型化[4]。圖1(b)為二分之一波長階梯阻抗諧振器示意圖，其基膜工作時中間對稱點等效為地，分析方法與圖1(a)一致。圖1(c)為二分之一波長發(fā)夾式階梯阻抗諧振器示意圖，其由圖1(b)演進而來。圖1(d)為小型化的發(fā)夾式階梯阻抗諧振器示意圖，終端兩段傳輸線之間存在耦合，文獻[11]對該類型諧振器進行了詳細分析，式(2)變?yōu)椋?/p>

(4)

式中，Zoo為耦合線奇模阻抗。式(5)本質(zhì)上與式(2)一致，對于圖1(b)與(c)中的諧振器，終端兩段傳輸線耦合很小，此時Zoo=Z2。

圖1 階梯阻抗諧振器原理示意

圖2為發(fā)夾型小型化帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。采用階梯阻抗諧振器使諧振器小型化，以此減小濾波器的尺寸。濾波器采用Al2O3陶瓷基板[12]，介電常數(shù)為9.9，損耗角正切為0.000 2，基板厚度0.254 mm?；宓讓訛闉V波器地，頂層為不同阻抗的薄膜微帶線。濾波器采用抽頭方式與外界相連，抽頭微帶線特征阻抗為50 Ω。濾波器詳細結(jié)構(gòu)參數(shù)為：Wt=0.25 mm，W1=0.155 mm，W2=0.344 mm，W3=0.503 5 mm，L1=1.81 mm，L2=1.235 mm，S12=0.197 mm，S23=0.078 mm，S14=0.112 mm，S=0.081 mm，S1=0.125 mm，t=0.334 mm。

圖2 濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

2 濾波器設(shè)計

取傳輸線特征阻抗Z1=60.5 Ω，Z2=41.5 Ω，Zoo=25 Ω，帶通濾波器的中心頻率為11.85 GHz，根據(jù)式(1)～(4)可以初步計算出諧振器的尺寸，然后在仿真軟件中進行微調(diào)，使得諧振器的諧振頻率在濾波器中心頻率附近。

當諧振器的尺寸確定后，諧振器之間耦合系數(shù)與諧振器之間距離的關(guān)系、諧振器外部品質(zhì)因數(shù)與抽頭位置的關(guān)系可以由文獻[13]中的方法通過仿真軟件萃取得到。圖3為萃取得到的諧振器之間耦合系數(shù)(M)與諧振器之間距離(S)的關(guān)系曲線，由圖2的濾波器結(jié)構(gòu)示意圖可知，在設(shè)計的濾波器中主要有三種耦合結(jié)構(gòu)，其耦合系數(shù)分別為M12、M23和M14，其中M12為混合耦合，M23為電感耦合，M14為電容耦合。由圖中可以看出，隨著諧振器之間距離變大，諧振器之間耦合系數(shù)逐漸減小。圖4為萃取得到的諧振器外部品質(zhì)因數(shù)(Qe)與抽頭位置(t)的關(guān)系曲線。

濾波器中心頻率11.85 GHz，相對帶寬(FBW)15%，傳輸零點位于10 GHz和13.7 GHz。根據(jù)濾波器指標可以得到四級切比雪夫帶通濾波器的耦合系數(shù)矩陣與外部品質(zhì)因數(shù)[14-15]為：

由圖3與圖4可以得到S12初值為0.2 mm，S23初值為0.075 mm，S14初值為0.195 mm，t初值為0.65 mm。由圖2中的版圖布局可以看出，諧振器I與諧振器IV之間耦合位置對諧振器II與諧振器III影響較大，因此S14實際值會比初值小，需在全波仿真中進行微調(diào)。

圖3 耦合系數(shù)隨諧振器間距變化曲線

圖4 外部品質(zhì)因數(shù)隨抽頭位置變化曲線

濾波器輸入輸出耦合采用抽頭結(jié)構(gòu)。二分之一波長諧振器，在諧振器中心兩側(cè)存在兩個對稱的饋電點，圖5為兩種不同饋電結(jié)構(gòu)示意圖，為了簡化分析過程，二分之一波長諧振器由均勻阻抗傳輸線構(gòu)成。在基膜諧振頻率，圖5(a)結(jié)構(gòu)信號在P1端口與P2端口相位同(0°饋電)，圖5(b)結(jié)構(gòu)信號在P1端口與P2端口相位相反(180°饋電)。圖中A為以饋電點為分界二分之一波長諧振器中較短的枝節(jié)，B為以饋電點為分界二分之一波長諧振器中較長的枝節(jié)。兩個諧振器之間為電耦合，可以等效為電容。通過比較兩種饋電結(jié)構(gòu)P1端口與P2端口之間的導(dǎo)納矩陣，可以看出，0°饋電結(jié)構(gòu)比180°饋電結(jié)構(gòu)額外多引入兩個傳輸零點[11]。兩個傳輸零點分別位于枝節(jié)A與枝節(jié)B為四分之一波長頻率處。因此，設(shè)計的濾波器采用0°饋電結(jié)構(gòu)，改善阻帶特性。

圖5 不同饋電方式的發(fā)夾型諧振器

3 濾波器仿真與測試結(jié)果

圖6為設(shè)計的四級發(fā)夾型濾波器的實物照片。濾波器兩側(cè)為使用GSG探針對濾波器進行測量時探針接觸的GSG PAD，PAD為接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(Coplanar Waveguide Ground，CPWG)，上層地與底層地通過金屬化通孔進行連接。包含PAD在內(nèi)，濾波器的尺寸為7 mm×4 mm，濾波器的核心面積為2.6 mm×2.5 mm(0.103λ0×0.099λ0)。

圖6 濾波器實物照片

在測試之前，整個測試系統(tǒng)，包含矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Rohde&Schwarz，ZVA40)、射頻電纜以及探針，采用Cascade MicrotechTM的標準基片，運用二端口LRRM(Line-Reflection-Reflection-Match)方法進行校準[16-17]。

圖7為仿真的與實際測試的二端口S參數(shù)。圖中方形符號曲線為ANSYSTMHFSS軟件全波仿真的濾波器S參數(shù)結(jié)果，圓形符號曲線為實際測試的濾波器S參數(shù)結(jié)果。由測試結(jié)果與仿真結(jié)果的對比可知，濾波器的通帶存在輕微的失諧，但是整體濾波器的響應(yīng)與仿真結(jié)果一致性較好。濾波器響應(yīng)共有四個傳輸零點，分別位于9.19 GHz、10.38 GHz、14.23 GHz和16.66 GHz，其中10.38 GHz與14.23 GHz兩個傳輸零點由諧振器I與IV之間的交叉耦合引入，9.19 GHz與16.6 GHz兩個傳輸零點則由0°饋電結(jié)構(gòu)引入。濾波器中心頻率為11.85 GHz，中心頻率插入損耗為1.3 dB，帶寬約為15 %。

圖7 濾波器仿真與測試結(jié)果對比

4 結(jié)束語

設(shè)計了一款基于陶瓷基板的Ku頻段四階發(fā)夾型帶通濾波器。對基于階梯阻抗的小型化諧振器的特性進行了分析，通過合理設(shè)計濾波器版圖實現(xiàn)交叉耦合，同時采用特定饋電結(jié)構(gòu)引入額外的傳輸零點。所設(shè)計的帶通濾波器具有四個傳輸零點，改善了濾波器的阻帶特性，濾波器實際測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。該設(shè)計方法在濾波器小型化以及提高阻帶抑制度方面具有一定的應(yīng)用價值。

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