一種分布式寬帶高通濾波器的設(shè)計方法

丁 海，孟弼慧，劉志軍

（京信通信技術(shù)（廣州）有限公司，廣東 廣州 510663）

1 高通濾波器

高通濾波器是對低頻信號有抑制要求，而某一定頻點以上信號可通過的濾波器。高通濾波器理論模型是使用串聯(lián)電容、并聯(lián)電感來實現(xiàn)[1]。針對大功率應(yīng)用需要的高通濾波器，電容和電感需要分布參數(shù)實現(xiàn)。各種分布式濾波器模型中，最佳分布式高通模型的工作帶寬是最寬的，由一系列短路枝節(jié)級聯(lián)而成。因為連接短路枝節(jié)的連接線是非冗余結(jié)構(gòu)，也參與諧振，所以稱為最佳分布式模型。最佳分布式高通模型適合2 倍頻以上的濾波器設(shè)計，非常適用于設(shè)計寬帶高通濾波器[2]。

短路枝節(jié)及連接線的阻抗與高通通帶有關(guān)。通帶越窄，短路枝節(jié)阻抗越低，而連接線的阻抗越高；通帶越寬，短路枝節(jié)阻抗越高，連接線的阻抗越低。通常情況下，最佳分布式高通濾波不適合設(shè)計窄帶濾波器，更適合制作寬帶濾波器[3,4]。最佳分布式高通濾波主要由傳輸線組成，可以是微帶線，也可以是空氣帶狀線。傳統(tǒng)方法的帶線形式高通濾波器尺寸偏大，設(shè)計不靈活，如圖1 所示[5]。圖1 的高通濾波器采用傳統(tǒng)的多級短路枝節(jié)串聯(lián)方法設(shè)計，長度偏大，應(yīng)用受限，因此需要開發(fā)一種設(shè)計靈活、結(jié)構(gòu)簡單的小型化寬帶高通濾波器設(shè)計方法。

圖1 傳統(tǒng)高通濾波器

2 方案設(shè)計

提出一種新的寬帶高通濾波器子網(wǎng)格設(shè)計方法，采用折疊式子網(wǎng)格形成一個三端口子網(wǎng)絡(luò)，再從最佳分布式高通模型設(shè)計思路出發(fā)，采用子網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)方式設(shè)計組成一個寬帶高通濾波器，如圖2 所示。子網(wǎng)絡(luò)是利用一個短路枝節(jié)及2 側(cè)連接線組成的一個三端口網(wǎng)絡(luò)，通過子網(wǎng)絡(luò)仿真確定高通濾波器的基本參數(shù)，包括中心頻率、截止頻率等，同時通過調(diào)整子網(wǎng)絡(luò)中短路枝節(jié)及連接線的尺寸參數(shù)得到對應(yīng)的多個諧振頻率。諧振頻率設(shè)置在高通濾波器的通帶內(nèi)，可以有效增寬高通濾波器的通帶寬度，形成寬帶高通濾波器。

圖2 創(chuàng)新的三端口子網(wǎng)絡(luò)

短路枝節(jié)電長度為θc，工作頻率為fc（高通濾波器的截止頻率）。枝節(jié)之間由電長度為θc的傳輸線連接。濾波器包含n個枝節(jié)，對于高通濾波器響應(yīng)，變量f為頻率，θ為電長度，比例為，濾波器的基本通帶為θc～π-θc。濾波器特性可以用傳輸函數(shù)S21(θ)定義，即

式中：ε為紋波常數(shù)；θc為電長度；FN(θ)為濾波函數(shù)。

濾波函數(shù)可表示為

式中：n為短路枝節(jié)數(shù)。

3 算例驗證

開發(fā)一款800 ～2 700 MHz 頻段的高通濾波器產(chǎn)品，要求插入損耗不大于0.5 dB，駐波比不大于1.3，互調(diào)抑制要求滿足3 階反射互調(diào)，接頭類型為N-K。仿真設(shè)計具體流程如下。

第1 步：系統(tǒng)仿真。建立仿真理論模型，常用的是巴特沃斯理論模型和切比雪夫理論模型。因為巴特沃斯模型可以減少帶內(nèi)波動，所以本設(shè)計用巴特沃斯設(shè)計方法。確定每段短路枝節(jié)尺寸與連接線的阻抗，利用理想電路等效模型得到設(shè)計參數(shù)，設(shè)計指標包括通帶、阻帶、過渡帶及截止頻率等參數(shù)，通帶是信號通過的頻帶，阻帶是抑制信號通過的頻帶，過渡帶是通道到阻帶過渡的頻率范圍，截止頻率是允許頻率通過的邊沿頻率點。

第2 步：將整個系統(tǒng)分解成若干個子系統(tǒng)。分解的子系統(tǒng)直接影響設(shè)計效率，要求最好能夠相似，每一個子系統(tǒng)分別設(shè)定為第一節(jié)濾波器、第二節(jié)濾波器…第n節(jié)濾波器；多節(jié)濾波器實現(xiàn)級聯(lián)，每一節(jié)濾波器先計算截止頻率及帶內(nèi)波紋，然后通過阻帶特性計算濾波器的節(jié)數(shù)。濾波器的節(jié)數(shù)越多，抑制性能越好，節(jié)數(shù)越少，抑制性能越差。

第3 步：設(shè)計子系統(tǒng)。先確定子系統(tǒng)的電氣指標特性，如本項目的三端口網(wǎng)絡(luò)需要確定特征阻抗、反射相位特性，再利用三維場仿真軟件精確設(shè)計每個子系統(tǒng)。在三維場仿真軟件中，可以利用數(shù)值計算方法，設(shè)定波端口，精確剖分網(wǎng)格，經(jīng)過多次計算得到子系統(tǒng)的模擬仿真散射參數(shù)及對應(yīng)的尺寸要求，使其滿足系統(tǒng)指標。

第4 步：用子系統(tǒng)組成整個大系統(tǒng)，級聯(lián)仿真大系統(tǒng)，微調(diào)電路結(jié)構(gòu)，使其滿足整體高通濾波器的性能要求。不同節(jié)濾波器級聯(lián)時，需要考慮級聯(lián)匹配問題，如果相鄰節(jié)濾波器的阻抗不匹配，信號就會反射，傳遞通過的信號能量就會減弱，可以通過增加一些枝節(jié)實現(xiàn)信號的匹配。非相鄰節(jié)濾波器存在寄生耦合的影響，需要微調(diào)枝節(jié)尺寸，消除或減弱寄生耦合。通過系統(tǒng)的整體仿真，可以實現(xiàn)濾波器的精確仿真，不同節(jié)之間實現(xiàn)匹配，消除寄生的耦合，最終得到整體散射參數(shù)特性。需要注意，由于仿真和實際加工存在誤差，這2 個誤差最好能夠匹配，以提高設(shè)計的準確度。

該方法創(chuàng)新了三端口網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)方案，接頭位置設(shè)計靈活，空間利用率高，整體尺寸減小，遠小于傳統(tǒng)直線形設(shè)計方法。圖3 為電路模型，圖4 為響應(yīng)曲線。

圖3 高通電路模型

圖4 仿真結(jié)果

得到初步理論電路模型后，在三維結(jié)構(gòu)場仿真軟件中進行全腔仿真，加工實物測試，最終得到實測性能。高通濾波器全腔結(jié)構(gòu)模型如圖5 所示，測試響應(yīng)曲線如圖6 所示。

圖5 高通濾波器全腔結(jié)構(gòu)模型

圖6 測試響應(yīng)曲線

4 結(jié) 論

文章提出了一種新型分布參數(shù)的高通濾波器，采用多個模式的子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，將子網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)組成高通濾波器。通過對800 ～2 700 MHz 頻段的高通濾波器進行設(shè)計驗證，結(jié)果顯示測試曲線與仿真曲線吻合良好，驗證了方法的準確性和有效性，且設(shè)計靈活，結(jié)構(gòu)尺寸小。