一種新型超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)

王勝福，張韶華，李宏軍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051）

0 引言

微波濾波器在通信、信息對(duì)抗、遙控制導(dǎo)和探測(cè)等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，由于其屬于關(guān)鍵器件，歷來(lái)受到人們的廣泛重視，成為研究的重點(diǎn)。而信息系統(tǒng)的寬帶化和小型化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)工程設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求[1]。

傳統(tǒng)的超寬帶帶通濾波設(shè)計(jì)方法，是將一個(gè)高通濾波器和一個(gè)低通濾波串聯(lián)起來(lái)，達(dá)到寬帶帶通濾波器的效果，但任然是兩個(gè)濾波器，具有體積大，抑制度低，通帶性能差，調(diào)試復(fù)雜等缺點(diǎn)[2]。為解決以上問(wèn)題，并制作出高性能的超寬帶帶通濾波器，本文利用Designer 軟件設(shè)計(jì)出拓?fù)潆娐?，?jì)算出濾波器每個(gè)元器件值，利用HFSS 建模，分別計(jì)算出每個(gè)單元元件的具體尺寸，整體模型在matlab 編輯的耦合矩陣軟件的診斷下快速優(yōu)化，制作出免調(diào)試、高矩形度、低插損的超寬帶帶通濾波，其體積小，實(shí)用性強(qiáng)。

1 電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的超寬帶帶通濾波器，具體技術(shù)要求如下：

工作頻段：4.5-9 GHz；

通帶插損：≤0.5 dB；

抑制：≥40 dBc@1.15 GHz；

駐波比 ：≤1.5 ∶ 1。

1.1 電路原理

為容易實(shí)現(xiàn)超寬帶帶通濾波的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以及從集總參數(shù)到分布的轉(zhuǎn)換參數(shù)的轉(zhuǎn)換，本文選取“管狀”形式的拓?fù)潆娐?，?yōu)點(diǎn)是元件數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。通過(guò)Designer 軟件搭建電路模型，如圖1所示。對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化仿真，仿真結(jié)果如圖2所示，得到各個(gè)元件值如表1所示。

圖1 帶通濾波器拓?fù)潆娐?/p>

圖2 帶通濾波器仿真結(jié)果

表1 元件值

1.2 元件尺寸

本文選取6002羅杰斯板材，厚度20 mil，其介電常數(shù)2.94，空氣腔高度1 mm，腔的寬度為7 mm，導(dǎo)線最窄部分選擇0.3 mm，導(dǎo)線最寬部分選擇3.5 mm。通過(guò)HFSS 軟件進(jìn)行三維建模，如圖3所示，可以通過(guò)三維仿真精確計(jì)算出導(dǎo)線的阻抗Z0以及相位常數(shù)β，如圖4、圖5所示。

圖3 導(dǎo)線HFSS模型

圖4 HFSS仿真阻抗值

圖5 HFSS計(jì)算相位常數(shù)

通過(guò)三維仿真可以得到0.3 mm 和3.5 mm 寬度線條阻抗和相位常數(shù)，就可以通過(guò)公式：

式中，Pi導(dǎo)線長(zhǎng)；β 相位常數(shù)；Li電感量；Z1阻抗值。計(jì)算出相應(yīng)電感線的長(zhǎng)度：如表2所示

表2 電感量與導(dǎo)線長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

同理可以使用公式：

式中，Pi導(dǎo)線長(zhǎng)；β 相位常數(shù)；Ci電感量；Y0導(dǎo)納值[3-6]。

式中，gi電容重疊部分長(zhǎng)度；Cn電容值；W 導(dǎo)線寬度；εr介電常數(shù)。計(jì)算出串聯(lián)電容和并聯(lián)電容值對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系[7]，如表3所示。

表3 電容值與導(dǎo)線長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)及仿真優(yōu)化

根據(jù)上述拓?fù)潆娐酚?jì)算結(jié)果和HFSS 仿真出來(lái)的元件尺寸，很容易進(jìn)行濾波器三維建模，如圖6所示，加激勵(lì)端口，進(jìn)行全模仿真。

圖6 HFSS建模仿真

由于單個(gè)諧振仿真與全模仿真存在差異，所以在仿真結(jié)果不到位，主要是由于非相鄰諧振之間的空間耦合以及其他空間效應(yīng)影響所致[8]。所以要對(duì)初始模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化仿真，本文使用matlab 軟件邊界的耦合矩陣診斷軟件對(duì)仿真的初值進(jìn)行診斷，并進(jìn)行下一步優(yōu)化，如圖7、表4所示。

圖7 matlab診斷曲線擬合

根據(jù)矩陣的診斷，以及與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比，可以很快得出優(yōu)化仿真的差值，只需3次迭代，仿真就可到位，能夠有效提升仿真效率，如圖8所示。

3 實(shí)物及測(cè)試結(jié)果

通過(guò)以上三維模型的精確仿真，確定濾波器的最終尺寸為45 mm×16 mm×10 mm，實(shí)物如圖9所示，調(diào)試后測(cè)試指標(biāo)均優(yōu)于要求值（實(shí)測(cè)值：43 dBc@1.15 GHz，插損：0.41 dB（4.5 GHz-9 GHz），仿真值（插損：0.37 dB）基本擬合，完全滿足使用要求。

圖9 實(shí)物圖

圖10 實(shí)測(cè)曲線

該產(chǎn)品實(shí)測(cè)與仿真相能夠擬合，同時(shí)具備以下特點(diǎn)：電路拓?fù)渚C合速度快；計(jì)算出的初始值搭建的三維模型性能基本到位；耦合矩陣診斷仿真優(yōu)化速度快；免調(diào)試設(shè)計(jì)；整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單，可靠性高，適合批量生產(chǎn)[9]。

4 結(jié)束語(yǔ)

文創(chuàng)新的在羅杰斯版上應(yīng)用管狀電路，精確控制諧振枝節(jié)間容值，實(shí)現(xiàn)了一款超寬帶帶通濾波器，該濾波器相對(duì)帶寬超過(guò)67%，且具有較高的矩形度，制作簡(jiǎn)單，具備具有較大的應(yīng)用價(jià)值，適合推廣。