一種基于信號(hào)干擾技術(shù)的諧波濾波器設(shè)計(jì)

曹力元,李宏軍,張韶華,王勝福

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

濾波器是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的重要組成部分之一,其主要作用是使有用信號(hào)通過系統(tǒng)并濾除無用信號(hào),從而達(dá)到頻率選擇的目的[1]。隨著計(jì)算機(jī)的普及,近年來各類微波電路的輔助設(shè)計(jì)軟件發(fā)展迅速,濾波器的設(shè)計(jì)方式也由各式各樣的軟件仿真代替了原來復(fù)雜繁瑣的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和查表[2]。在眾多的濾波器實(shí)現(xiàn)形式中,具有微帶線結(jié)構(gòu)的濾波器憑借其體積小、重量輕、易于平面集成等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于多種微波電路中。

現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)濾波器的參數(shù)不僅要求通帶內(nèi)具有低插損、低駐波比等良好性能,還對(duì)帶外抑制有一定的要求,如較寬的阻帶以及更高的抑制度等。尤其在微波電路中,一些非線性元器件如混頻器、放大器的輸出端會(huì)生成二次、三次諧波等干擾信號(hào),這就要求位于這些元器件后的濾波器具有良好的諧波抑制能力[3-4]。因此對(duì)有用信號(hào)頻率二倍、三倍頻的抑制也成為了濾波器重要的指標(biāo)需求之一。一般微帶結(jié)構(gòu)的分布式濾波器由多個(gè)諧振單元構(gòu)成,由于諧振單元具有頻率上的周期重復(fù)性,故在倍頻處會(huì)產(chǎn)生寄生通帶使得帶外抑制度下降[5]。鑒于此,本文采用橫向信號(hào)干擾技術(shù),設(shè)計(jì)了一款具有寬阻帶特性的諧波濾波器,在保證通帶擁有較低插入損耗的同時(shí),對(duì)二次、三次諧波進(jìn)行了一定程度的抑制。

早在1985 年,美國學(xué)者Rauscher[6]便基于信號(hào)干擾的原理提出了橫向型濾波器和遞歸型濾波器的概念。由于遞歸型濾波器的計(jì)算以及實(shí)現(xiàn)十分困難,故大部分基于相位干涉理論制作的濾波器均為橫向型濾波器[7]。Gomez 等[8]于2005 年提出了一種較為典型的雙支路信號(hào)干擾濾波器,采用兩段傳輸線并聯(lián)的方式構(gòu)建了兩條信號(hào)通路,由該結(jié)構(gòu)組成的濾波器具有寬頻帶特性,并且由于阻帶內(nèi)存在多個(gè)傳輸零點(diǎn),使得阻帶抑制效果較為理想,但受限于兩路傳輸線結(jié)構(gòu),導(dǎo)致濾波器的整體尺寸較大;2009 年和2010 年,Sanchez 等[9-10]采用了將傳輸線分別與終端短路、開路耦合線相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了超寬帶帶通、帶阻濾波器。該結(jié)構(gòu)不僅使濾波器整體體積有所減小,并且由于耦合線的引入使得濾波器的可調(diào)參數(shù)有所增加。

為滿足某濾波器設(shè)計(jì)項(xiàng)目中對(duì)通帶頻率二次諧波、三次諧波的抑制要求,提升濾波器的矩形度,本文利用橫向信號(hào)干擾原理,通過濾波單元級(jí)聯(lián)等方式設(shè)計(jì)了一款新型濾波器。

1 信號(hào)干擾濾波器設(shè)計(jì)原理

根據(jù)近年來的研究可以發(fā)現(xiàn),相位干涉或信號(hào)干擾技術(shù)在濾波器領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣,利用該技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的濾波器由于具有較寬的通帶和較低的帶內(nèi)插入損耗,故常用以實(shí)現(xiàn)具有寬帶濾波特性的帶通或帶阻濾波器。其基本原理可大致概括為:通過構(gòu)建多個(gè)信號(hào)通路,使信號(hào)進(jìn)行多徑傳輸。對(duì)于具有分布參數(shù)特性的電路來說,由于不同路徑擁有不同的特征阻抗及電長(zhǎng)度,從而使得不同路徑的信號(hào)之間存在一定的幅度及相位差。如圖1 所示,通過調(diào)節(jié)特征阻抗Z1、Z2以及電長(zhǎng)度θ1、θ2可以實(shí)現(xiàn)在相應(yīng)的頻率位置處達(dá)到信號(hào)相互疊加或抵消的效果,從而產(chǎn)生傳輸零極點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)濾波特性。

圖1 雙路傳輸線式信號(hào)干擾單元Fig.1 Dual-transmission linear signal interference unit

通常來說,利用兩個(gè)傳輸路徑便可以實(shí)現(xiàn)滿足大多數(shù)要求的濾波效果,如果采用更多路徑傳輸,不僅理論分析計(jì)算困難,而且會(huì)使電路尺寸大大增加。因此,本文采用了兩個(gè)傳輸路徑的結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行濾波單元的搭建。相位干涉型濾波器與傳統(tǒng)諧振器構(gòu)成的濾波器相比較,產(chǎn)生傳輸零極點(diǎn)的原理發(fā)生了變化。由于不存在諧振單元,故使得電路的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔,結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,并打破了傳統(tǒng)Q值定義方式的限制,使得通帶內(nèi)的信號(hào)衰減更小,從而獲得了較為理想的傳輸特性。

2 雙路信號(hào)干擾濾波器的設(shè)計(jì)

對(duì)于由兩條傳輸路徑構(gòu)成的橫向信號(hào)干擾濾波器來說,通常采用的電路實(shí)現(xiàn)形式有兩種。一種是由兩段微帶傳輸線構(gòu)成,通過改變兩路的特征阻抗與電長(zhǎng)度的比值來調(diào)整傳輸零極點(diǎn)以及其他濾波器的濾波特性,其電路形式如圖1 所示;另一種是由傳輸線和耦合線共同構(gòu)成,濾波原理不變,但相較于均勻阻抗傳輸線來說,平行耦合線擁有更多的可調(diào)參數(shù),可在一定程度上增加設(shè)計(jì)的靈活性,并且使得濾波器的整體體積有所減小,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 傳輸線和耦合線結(jié)合式信號(hào)干擾單元Fig.2 Transmission line and coupling line binding signal interference unit

本文擬采用傳輸線與耦合線兩種結(jié)合的形式設(shè)計(jì)具有帶阻性質(zhì)的濾波單元。首先對(duì)一耦合線與平行該二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)進(jìn)行分析。對(duì)于耦合線部分有:

式中:k為耦合線的耦合系數(shù);yc為耦合線的特征導(dǎo)納;和分別為耦合線的奇模導(dǎo)納和偶模導(dǎo)納。整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的歸一化Y參數(shù)為:

式中:θl和θc分別為均勻阻抗傳輸線和耦合線的電長(zhǎng)度。進(jìn)而可得出網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)表達(dá)式為:

從上述關(guān)系式中可以看出,通過調(diào)整兩條傳輸路徑的電長(zhǎng)度、特征阻抗、耦合系數(shù)等參數(shù),可以達(dá)到調(diào)整網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)的效果。例如改變耦合系數(shù)k(調(diào)節(jié)耦合線間距),調(diào)節(jié)耦合線與傳輸線特征阻抗的比值,可控制阻帶寬度以及零點(diǎn)位置,但與此同時(shí),參數(shù)的改變也會(huì)同時(shí)影響網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)曲線的特性,所以調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)進(jìn)行各方面的綜合考慮。比如,在阻帶內(nèi)存在四個(gè)傳輸零點(diǎn)時(shí),調(diào)整耦合線與傳輸線特征阻抗的比值大小可以控制內(nèi)側(cè)的兩個(gè)對(duì)稱零點(diǎn)之間的距離,但在調(diào)節(jié)時(shí)S21曲線也會(huì)同時(shí)發(fā)生變化。因此,在調(diào)整至各項(xiàng)參數(shù)滿足一定條件的情況下,可以使得帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的傳輸特性。以耦合線與傳輸線的特征阻抗之比t為例,在t取不同值時(shí)特征曲線也有所不同,見圖3 所示。

圖3 不同阻抗比時(shí)的S 參數(shù)曲線Fig.3 S-parameter curves at different impedance ratios

根據(jù)原理圖2,在二維電路仿真軟件中建立耦合線與均勻阻抗傳輸線并聯(lián)電路模型,通過調(diào)整模型參數(shù)來調(diào)整S曲線的特性。以中心頻率為2 GHz,帶寬2 GHz 的帶阻濾波器為例,根據(jù)原理公式及板材等計(jì)算出微帶線的尺寸參數(shù),在仿真軟件中搭建電路并進(jìn)行全波仿真,如圖4 所示,可明顯看出其S參數(shù)具有周期分布的特性。

圖4 S 參數(shù)的期性特征圖Fig.4 Period characterization of S parameters

在三維仿真軟件中建立模型并進(jìn)行仿真的過程中可以發(fā)現(xiàn),由于存在空間耦合以及其他損耗的影響,S參數(shù)特性會(huì)在較高頻率處有所惡化,但在低頻段以及阻帶內(nèi)仍具有較為良好的性能。再結(jié)合信號(hào)干涉濾波器本身帶寬較寬的特點(diǎn),可以利用其第一個(gè)周期的通帶和阻帶實(shí)現(xiàn)具有低通特性的諧波濾波器。

3 級(jí)聯(lián)式諧波濾波器的設(shè)計(jì)

現(xiàn)根據(jù)指標(biāo)要求設(shè)計(jì)一個(gè)諧波濾波器,對(duì)通帶為1.2～1.3 GHz 信號(hào)的二倍頻、三倍頻進(jìn)行抑制,要求抑制度不小于20 dB,且?guī)?nèi)損耗不大于0.5 dB。擬采用相對(duì)介電常數(shù)為11 的高工藝精度陶瓷材料作為基板,根據(jù)原理圖及頻率要求構(gòu)建電路,并建立其三維仿真模型。所得三維仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 單濾波單元三維仿真曲線Fig.5 The 3D simulation curves of a single filter unit

從得到的二端口仿真S曲線可以看出,1.2～1.3 GHz 通帶內(nèi)的插入損耗較小,典型值小于0.1 dB,三倍頻范圍內(nèi)的抑制度大于35 dB。但二倍頻處仍處在過渡段中,即特征曲線的矩形度不夠。為提高濾波器的矩形度,并提高阻帶的抑制程度,采取將兩個(gè)濾波結(jié)構(gòu)形式相同、尺寸相近的濾波單元進(jìn)行級(jí)聯(lián)的方式構(gòu)建濾波器,即以一個(gè)雙路信號(hào)干擾濾波器為一個(gè)單元,將兩個(gè)濾波單元進(jìn)行級(jí)聯(lián),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 級(jí)聯(lián)式濾波器拓?fù)湓韴DFig.6 Schematic diagram of the cascade filter topology

首先在二維電路仿真軟件中搭建級(jí)聯(lián)后的電路,通過調(diào)整兩個(gè)單元的電長(zhǎng)度、特征阻抗、耦合強(qiáng)度等來調(diào)整濾波器的電性能。如圖7 所示,在進(jìn)行電路的調(diào)諧仿真過程中發(fā)現(xiàn):濾波器的級(jí)聯(lián)使得通帶的矩形度有所提高,但在將參數(shù)代入三維模型中并進(jìn)行仿真時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn),由于濾波器的傳輸帶線本身的分布參數(shù)特性以及兩單元級(jí)聯(lián)引入的不連續(xù)性,在阻帶內(nèi)頻率為4 GHz 左右處會(huì)產(chǎn)生一處諧振,使得阻帶較高端處的抑制度下降。因此,為緩解諧振帶來的抑制度惡化,擬在主傳輸帶線旁添加一個(gè)耦合環(huán),從而在阻帶內(nèi)生成一處陷波點(diǎn)以提高抑制度。

圖7 級(jí)聯(lián)式濾波器電路仿真曲線Fig.7 Simulation curves of the cascade filter circuit

濾波器整體三維仿真模型的微帶線結(jié)構(gòu)排布如圖8 所示,將電路級(jí)仿真調(diào)諧后的尺寸參數(shù)作為初值代入三維模型中,并進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。為盡量消除兩個(gè)濾波單元之間相互耦合產(chǎn)生的寄生干擾,且避免基板打通孔增加工藝難度提高制作成本,故采用了左右鋪開分布的方式進(jìn)行布局,但因此也使得濾波器的長(zhǎng)度有了一定程度的增加。

圖8 級(jí)聯(lián)式信號(hào)干擾濾波器三維仿真模型Fig.8 3D simulation model of the cascade signal interference filter

耦合環(huán)置于干路旁,通過調(diào)整環(huán)的尺寸以及它和干路微帶線的距離來調(diào)整陷波點(diǎn)的位置和深度,以達(dá)到更為理想的阻帶抑制效果。

以高精度陶瓷為基板的薄膜工藝精度較高,誤差基本可以控制在2～3 μm。通過對(duì)比圖9 中的仿真與實(shí)測(cè)曲線可知二者差別不大,并且多個(gè)成品之間也具有良好的一致性。圖10 為濾波器實(shí)物圖。為了模擬產(chǎn)品的實(shí)際使用狀態(tài),在濾波器上方安裝了一個(gè)金屬帽(如圖10左下方所示),其實(shí)際測(cè)試結(jié)果與裸片并無明顯差別。

圖9 濾波器三維仿真與實(shí)測(cè)曲線Fig.9 3D simulation and measured curves of the filter

圖10 濾波器實(shí)物圖Fig.10 Filter physical diagram

4 結(jié)論

利用橫向信號(hào)干擾原理,仿真并設(shè)計(jì)了一款諧波濾波器。在一般的雙路信號(hào)干擾式濾波器的基礎(chǔ)上,把兩個(gè)雙路單元進(jìn)行了級(jí)聯(lián),并且在電路中添加了耦合環(huán),最終使得濾波器的矩形度和阻帶抑制效果有所提升。在通帶頻率1.2～1.3 GHz 范圍內(nèi),插入損耗小于0.4 dB;有用信號(hào)的二倍、三倍頻率處抑制度大于20 dB,典型值大于30 dB,濾波器的尺寸為20.4 mm×10 mm×0.381 mm。

實(shí)驗(yàn)采用薄膜工藝,在陶瓷基板上進(jìn)行了制造。濾波器采取了微帶線的結(jié)構(gòu)形式,從而使其具有體積較小、重量較輕、易于平面集成等特點(diǎn)。此外,由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作成本較低,所使用的陶瓷工藝精度較高,成品一致性較好,因此更有利于該類產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。