應(yīng)用于多波段目標(biāo)模擬器的微帶濾波器設(shè)計(jì)

杜 娟 趙永鐵

(92941部隊(duì) 遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

現(xiàn)有雷達(dá)目標(biāo)模擬器多是針對(duì)某一特定波段雷達(dá)進(jìn)行功能及參數(shù)設(shè)計(jì)，若想為不同波段的多部雷達(dá)同時(shí)提供模擬目標(biāo)信號(hào)，則需要多個(gè)雷達(dá)目標(biāo)模擬器[1]，價(jià)格昂貴。為實(shí)現(xiàn)同一模擬器同時(shí)為多型號(hào)多波段雷達(dá)提供模擬目標(biāo)信號(hào)，需要在模擬器體積、成本等方面開(kāi)展深入研究，而濾波器是其中的重要環(huán)節(jié)。

濾波器種類繁多，按照通頻帶分類[2-3]，濾波器可分為帶阻濾波器、帶通濾波器、高通濾波器、低通濾波器等；按照通帶濾波器特性分類，有源濾波器可分為最大平坦型濾波器、等波紋型濾波器、線性相移型濾波器等；按照濾波器的傳輸線類型分類[4]，可分為介質(zhì)濾波器、同軸濾波器、波導(dǎo)濾波器和微帶濾波器等。

根據(jù)傳輸線類型選擇濾波器時(shí)，可依據(jù)不同種類濾波器的特點(diǎn)及使用需求進(jìn)行選擇。介質(zhì)濾波器硬件布局緊湊，損耗較低，具有比較穩(wěn)定的溫度特性，但受現(xiàn)有技術(shù)水平限制，適用頻率范圍僅限于50GHz，質(zhì)量成本較高；同軸濾波器，由于自身腔體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)會(huì)在遠(yuǎn)端產(chǎn)生諧振峰，對(duì)器件本身性能產(chǎn)生不利影響；波導(dǎo)濾波器，品質(zhì)因子高、損耗小、頻率使用范圍寬，但由于波導(dǎo)濾波器的體積和重量比其它類型濾波器大很多，因此應(yīng)用范圍較??；微帶濾波器因其重量輕[5]、體積小、制造簡(jiǎn)便、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，在微波電路設(shè)計(jì)中使用廣泛，是多波段雷達(dá)目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)的首選器件，具體體現(xiàn)在以下三方面：

1)微帶傳輸線使用的介質(zhì)基片介電常數(shù)較高[6-7]，減小了微帶線上的波長(zhǎng)，使得微帶線的尺寸無(wú)論在縱向，還是橫截面上都大幅減?。?/p>

2)可通過(guò)在線路板上印制導(dǎo)電材料來(lái)實(shí)現(xiàn)；

3)微帶濾波器可以靈活地與微波固體器件連接，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)微帶濾波器與微波固體器件的集成設(shè)計(jì)。

根據(jù)多波段雷達(dá)目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)要求，文中選擇常用的微帶帶通濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

1 微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)原理及方法

1.1 微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)原理

微帶帶通濾波器是由多個(gè)平行耦合單元級(jí)連后構(gòu)成的，單個(gè)平行耦合微帶傳輸單元構(gòu)成如圖1所示。

圖1 平行耦合微帶傳輸單元

每個(gè)平行耦合微帶傳輸單元都可以用一種電角度為θ的電路來(lái)表征[8]，如圖2所示，它包含一個(gè)導(dǎo)納倒置轉(zhuǎn)換器和兩組線段。

圖2 平行耦合微帶傳輸單元等效電路

平行耦合微帶傳輸單元與其等效電路的參數(shù)關(guān)系為：

(1)

(2)

式中， Z0e為平行耦合微帶傳輸線的偶模阻抗， Z0o為平行耦合微帶傳輸線的奇模阻抗， J為導(dǎo)納，Y0為平行耦合微帶傳輸線的特性導(dǎo)納。

根據(jù)圖2所示等效電路，可推導(dǎo)出多個(gè)耦合微帶傳輸單元構(gòu)成的平行耦合微帶帶通濾波器的等效電路，如圖3所示。

圖3 平行耦合微帶帶通濾波器等效電路

1.2 微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)方法

微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)較多，可按如下方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算[9-10]：

1)根據(jù)微帶濾波器設(shè)計(jì)要求確定低通濾波器原型(常見(jiàn)的低通濾波器原型有利比雪夫?yàn)V波器和最大平坦濾波器)，濾波器階數(shù)N可參考設(shè)計(jì)指標(biāo)確定，之后便可根據(jù)濾波器階數(shù)計(jì)算g1、g2、……、gN、gN+1、g為濾波器歸一化參數(shù)；

2)帶通濾波器的中心頻率ω0通常由ωH和ωL確定：

(3)

3)濾波器相對(duì)帶寬BW可由中心頻率ω0、截止頻率ωH和ωL來(lái)確定：

(4)

4)微帶帶通濾波器各個(gè)耦合單元的導(dǎo)納可根據(jù)式(5)-(7)進(jìn)行計(jì)算：

(5)

(6)

(7)

5)根據(jù)微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)要求，濾波電路的奇模特征阻抗和偶模特征阻抗分別為：

(8)

式中，Z0為微帶電路輸入和輸出的特征阻抗，ZE|i,i+1為微帶電路的偶模阻抗，Z0|i,i+1為微帶電路的奇模阻抗；

6)對(duì)照微帶線數(shù)據(jù)表，結(jié)合各段耦合單元的特征阻抗選擇合適的微帶線結(jié)構(gòu)；根據(jù)帶通濾波電路介質(zhì)基片厚度d和相對(duì)介電常數(shù)εr，計(jì)算各段耦合微帶線的寬度W、長(zhǎng)度L和間距S；已知微帶線結(jié)構(gòu)、尺寸和間距，即可完成濾波器電路設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例及仿真結(jié)果

2.1 頻率檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

雷達(dá)目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)中，功分器輸出的信號(hào)頻率在16～22GHz范圍，由于不知道信號(hào)的具體頻點(diǎn)，要在如此寬的頻率范圍內(nèi)直接處理是十分困難的，為此設(shè)計(jì)了頻率檢測(cè)電路，將信號(hào)的頻率確定在一個(gè)較窄的范圍之內(nèi)，然后再進(jìn)行處理。頻率檢測(cè)電路的工作原理如圖4所示。

圖4 頻率檢測(cè)電路工作原理框圖

圖4中共4路信號(hào)檢測(cè)電路，將16～22GHz劃分為16～17.5GHz、17.5～19GHz、19～20.5GHz、20.5～22GHz四個(gè)不同的頻率范圍，當(dāng)相應(yīng)的頻率范圍有信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)路的比較器就會(huì)有信號(hào)輸出到FPGA。

2.2 微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)

下面以微帶帶通濾波器1為例進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

微帶帶通濾波器1設(shè)計(jì)指標(biāo)為：中心頻率ω0=16.75GHz；相對(duì)帶寬W=9%；在f=14GHz時(shí),衰減量大于20dB；帶內(nèi)波紋為0.5dB；微帶線特性阻抗Z0=50Ω；介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)εr=9.8，厚度d=0.5mm。

根據(jù)上述指標(biāo)要求，微帶帶通濾波器1選用5階最大平坦濾波電路。查濾波器電抗元件值，5階最大平坦濾波電路的歸一化參數(shù)為：g1=g5=0.618，g2=g4=1.618，g3=2，g0=g6=1。

濾波器標(biāo)準(zhǔn)阻抗選擇Z0=50Ω，濾波器微帶線的特征阻抗按照前文“微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)方法”中式(8)進(jìn)行計(jì)算， 5個(gè)耦合線段的微帶線寬度W、間距S和長(zhǎng)度L通過(guò)ADS軟件進(jìn)行計(jì)算，得出微帶線阻抗表。

表1 微帶線阻抗表

2.3 仿真結(jié)果

將表1中各段微帶線的參數(shù)代入Ansoft-HFSS電磁場(chǎng)仿真軟件，得到微帶帶通濾波器1的仿真模型，如圖5所示。

圖5 微帶帶通濾波器1模型

圖6 微帶帶通濾波器1設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

由圖6仿真結(jié)果可知：

1)微帶帶通濾波器1的濾波范圍為16-17.5GHz，帶通性能較好；

2)通帶波紋較平坦，帶內(nèi)波紋小于0.5dB；

3)阻帶平滑單調(diào)，衰減性能良好，14GHz處衰減大于20dB。

綜上所述，微帶帶通濾波器1的設(shè)計(jì)方案能夠滿足頻率檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求。微帶帶通濾波器

2-4可參照微帶帶通濾波器1的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了介質(zhì)濾波器、同軸濾波器、波導(dǎo)濾波器、微帶濾波器等四種濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合多波段雷達(dá)目標(biāo)模擬器的特點(diǎn)，選擇了微帶帶通濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。以微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理及方法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了模擬器的頻率檢測(cè)電路，利用Ansoft-HFSS軟件對(duì)其中的微帶帶通濾波器進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果表明該設(shè)計(jì)帶通性能較好，帶內(nèi)波紋小，衰減性能良好，對(duì)于多波段雷達(dá)目標(biāo)模擬器的工程設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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