2GHz-4GHz梳型超寬帶濾波器設(shè)計(jì)
1 引言
由于超寬帶通信和雷達(dá)的應(yīng)用多種多樣,所以超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)方法也相當(dāng)多樣。許多學(xué)者研究了多種微帶結(jié)構(gòu)的超寬帶濾波器。雖然微帶濾波器的尺寸很小,并且很容易和其他表面裝配器件集成,但是其插損往往都非常大。插損值一般都大于5dB 。微帶濾波器還有一個(gè)問(wèn)題就是其帶外抑制往往都不太好。在本文中,我們給出了一種通帶為2GHz到4GHz,阻帶抑制達(dá)到11.23GHz的梳型超寬帶濾波器設(shè)計(jì)方法。
2 濾波器設(shè)計(jì)
圖1為11級(jí)梳型濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。方波導(dǎo)的寬度為a,高度為b,其中有11個(gè)方柱,每個(gè)方柱具有相同的寬度w。柱子的高度和相鄰柱子的間距的定義如圖1所示。輸入和輸出采用SMA接頭。SMA內(nèi)導(dǎo)體端接的小圓盤直徑和高度分別定義為
和
。
圖1 梳型濾波器結(jié)構(gòu)圖
采用文[7]中第8章所給出的寬帶梳型濾波器的設(shè)計(jì)公式,可以得到濾波器的初始設(shè)計(jì)參數(shù)值。在本設(shè)計(jì)中,我們采用11級(jí)和0.1分貝波紋的設(shè)計(jì)指標(biāo)。表1里面的“初始值”一欄給出了各個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。
使用CST模擬軟件,代入結(jié)構(gòu)的初始值仿真可以得到圖2的仿真曲線。我們可以看到通帶的高端邊緣頻率比設(shè)計(jì)低了一些,而且回波損耗也不好。這是由于此濾波器具有67%的相對(duì)帶寬,對(duì)于我們所使用的計(jì)算公式來(lái)說(shuō)稍微寬了一些。
表1 超寬帶濾波器各參數(shù)的初始計(jì)算值和最終優(yōu)化值
參數(shù) |
初始值(mm) |
優(yōu)化值(mm) |
參數(shù)描述 |
a |
37 |
37 |
腔體寬度 |
b |
14 |
12 |
腔體高度 |
w |
12 |
12 |
柱子寬度 |
t |
7 |
7 |
柱子厚度 |
din |
1.3 |
1.3 |
同軸內(nèi)導(dǎo)體直徑 |
dout |
4.1 |
4.1 |
同軸外導(dǎo)體直徑 |
dd |
5.2 |
5.2 |
圓盤直徑 |
hd |
6 |
6 |
圓盤厚度 |
cp |
0.5 |
0.5 |
圓盤與腔底間距 |
h1 |
12.5 |
10.59 |
柱子1高度 |
h2 |
12.5 |
10.53 |
柱子2高度 |
h3 |
12.5 |
10.47 |
柱子3高度 |
h4 |
12.5 |
10.43 |
柱子4高度 |
h5 |
12.5 |
10.42 |
柱子5高度 |
h6 |
12.5 |
10.43 |
柱子6高度 |
l1 |
3.885 |
6.56 |
柱子1,2間距 |
l2 |
6.29 |
7.58 |
柱子2,3間距 |
l3 |
6.475 |
8.04 |
柱子3,4間距 |
l4 |
6.66 |
8.25 |
柱子4,5間距 |
l5 |
6.845 |
8.28 |
柱子5,6間距 |
圖2 代入初始值的模擬結(jié)果
圖3 優(yōu)化后的濾波器模擬和測(cè)試結(jié)果
得到以上的初始結(jié)果后,我們使用CST的優(yōu)化功能,通過(guò)優(yōu)化可以得到最終的參數(shù)值。表1的“優(yōu)化值”一欄給出了各個(gè)參數(shù)的最終值。其模擬結(jié)果在圖3中由虛線表示。
3 測(cè)試結(jié)果
圖4給出了根據(jù)表1的優(yōu)化值所加工的梳型濾波器樣品圖。其尺寸為198mm X 51mm X 16mm。為方便與模擬結(jié)果對(duì)比,圖3還給出了樣品的測(cè)試曲線。我們可以看到,測(cè)試結(jié)果中,除了回波損耗稍微比模擬結(jié)果高了一些外,其他都與模擬結(jié)果吻合得很好。測(cè)試結(jié)果顯示2GHz到4GHz的通帶內(nèi),插損小于0.35dB,回波損耗小于-15dB。為了顯示阻帶抑制特性,圖5給出了1GHz到15GHz的測(cè)試曲線,可以看到直到11.23GHz才產(chǎn)生寄生通帶。
圖4 樣品濾波器結(jié)構(gòu)圖
圖5 樣品濾波器的寄生通帶測(cè)試結(jié)果
4 結(jié)論
本文報(bào)道了一種波導(dǎo)超寬帶梳型濾波器,相對(duì)于微帶超寬帶濾波器來(lái)說(shuō),具有低很多的帶內(nèi)插損和好很多帶外抑制。樣品濾波器的測(cè)試結(jié)果顯示其2GHz到4GHz的通帶內(nèi)插損低于0.35dB,阻帶抑制可以達(dá)到11.23GHz。此濾波器可以應(yīng)用在對(duì)插損和帶外抑制要求非??量痰?strong>超寬帶通信和雷達(dá)系統(tǒng)中。這種技術(shù)也可以應(yīng)用在要求對(duì)高次諧波進(jìn)行有效抑制的系統(tǒng)中。