基于GaAs工藝L波段吸收式低通濾波器研制

文/馬文濤 李宏軍

從通信系統(tǒng)到射電天文，濾波器是必不可少的微波元件，幾乎所有的微波接收機、發(fā)射機和微波試驗裝備都要求具有濾波的功能。常用的濾波器是反射式濾波器，是通過把不需要的頻率成分的能量反射回信號源而達到濾波的目的，實現(xiàn)頻率選擇功能。

然而，某些場合卻需要使用吸收式濾波器，將帶外能量吸收掉。例如，吸收式濾波器用在大功率發(fā)射機上，以保護大功率管，使之避免由反射能量所引起的有害諧振。高增益的放大器在測試環(huán)境下絕對穩(wěn)定，但在封裝環(huán)境下帶外信號會引起不必要的反饋，使得放大器變得不穩(wěn)定，而吸收式濾波器的使用將避免此問題的發(fā)生。吸收式濾波器主要作用是將干擾信號，尤其是高頻干擾信號的電磁能量轉(zhuǎn)化為熱能由吸收負載消耗掉，進而達到濾波效果。吸收式濾波器主要有兩類：一類是從單端原型出發(fā)，以雙工器或多工器的形式組合導納曲線互補的不同濾波器來實現(xiàn)通帶和阻帶的全匹配。另一類是兩個反射式濾波器與兩個3dB 定向耦合器相組合，使阻帶內(nèi)反射的能量被耦合吸收。本文設(shè)計新型吸收式濾波器具有體積小、易與有源器件集成，一致性好等優(yōu)點。

1 吸收式低通濾波器芯片的設(shè)計

本文采用奇模偶模理論分析得到吸收式濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)原型 ，對于一個對稱的兩端口網(wǎng)絡(luò)，如果兩個端口采用等幅同相的信號進行激勵，稱之為偶模激勵。此時對稱平面可視為理想導磁面，兩端口網(wǎng)絡(luò)關(guān)于該平面完全對稱，可以對其任一半進行分析，圖1為偶模激勵形成的單端口網(wǎng)絡(luò)，輸入反射系數(shù)稱為偶模反射系數(shù)，用Γe表示，即Γ1=Γe。

圖1：偶模激勵以及單端本征網(wǎng)絡(luò)

圖2：奇模激勵以及單端本征網(wǎng)絡(luò)

圖3：單節(jié)吸收式濾波器拓撲圖

反之兩個端口采用等幅反相的信號進行激勵稱為奇模激勵。此時對稱平面可視為理想導電面，兩端口網(wǎng)絡(luò)關(guān)于該平面完全對稱，同樣可以取其中的一半來進行分析，如圖2所示。對于奇模激勵形成的單端口網(wǎng)絡(luò)，輸入反射系數(shù)稱之為奇模反射系數(shù)，用Γ0表示，Γ1=Γ0。

所以，對稱可逆二端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣可表示為：

奇偶模分析的方法是通過把一個對稱二端口網(wǎng)絡(luò)分為兩個單端口本征網(wǎng)絡(luò)分析研究，求解本征值的方法，從而使得求解過程大為簡化。

同理，可以采用上述方法，可以把對稱網(wǎng)絡(luò)的阻抗矩陣寫為：

圖4：單節(jié)吸收式濾波器電路結(jié)構(gòu)

圖5：單節(jié)吸收式濾波器仿真曲線

圖6：吸收式濾波器與反射式濾波器幅頻特性對比

圖7：吸收式濾波器芯片照片(2.8mm×1mm×0.1mm)

圖8：吸收式濾波器仿真與測試曲線對比

式中Ze和Zo分別為偶模和奇模單端口本征網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗。Ze、Zo也即為終端開路和短路狀態(tài)下單端口本征網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗。

通過上述分析，以及一系列的變換可以得到吸收式低通濾波器拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 吸收式低通濾波器芯片的實現(xiàn)

本文我們采用70um的GaAs工藝進行濾波器的設(shè)計，考慮到濾波器性能指標以及芯片尺寸等綜合因素元件實際采用螺旋電感與薄膜電容來實現(xiàn)。通過合理設(shè)置濾波器元件的初值，然后通過優(yōu)化完成最終的設(shè)計。

電路結(jié)構(gòu)以及仿真曲線分別如圖4、圖5所示。

3 吸收式低通濾波器芯片的仿真與測試結(jié)果分析

如圖6、圖7和圖8，由仿真和芯片測試曲線可以看到，在DC～10GHz頻率范圍內(nèi)仿真與測試結(jié)果吻合較好，吸收式低通濾波器在DC～3G頻率范圍內(nèi)電壓駐波比小于1.2，12倍頻抑制大于40dB，相比于普通的反射式濾波器，此吸收式低通濾波器在DC～12G的頻率范圍內(nèi)駐波比小于2，同時遠端寄生通帶以及本底抑制均優(yōu)于同頻段反射式濾波器。

4 結(jié)論

本文簡單介紹了吸收式濾波器基本理論以及分析方法，并設(shè)計了一款L波段的吸收式低通濾波器，設(shè)計結(jié)果證明了設(shè)計方案的可行性，同時也為吸收式濾波器的設(shè)計者們提供了一種可以參考借鑒的方案。