懸置帶線帶阻濾波器的設(shè)計

1 引言

帶阻濾波器常用于射頻/微波系統(tǒng)中濾除不需要的信號或者抑制寄生響應(yīng)，抑制不同通信系統(tǒng)之間的干擾，可以解決相近的本地收發(fā)天線之間的共址干擾問題。

懸置帶線是一種優(yōu)越的電磁波傳輸系統(tǒng)，其用途廣泛，可以用來實現(xiàn)各種類型的濾波器，不僅可用于傳輸線諧振器型濾波器，也可用于半集總濾波器的設(shè)計。一般來說，在平面?zhèn)鬏斁€中金屬損耗占據(jù)主導(dǎo)地位，相對于微帶線和共面線，懸置帶線的橫截面較大，這有效降低了金屬層的電流密度以及介質(zhì)中的電場強度，從而能有效減小損耗，同時，屏蔽效應(yīng)使其不會產(chǎn)生輻射，延伸至空氣中的電磁場成分增加，降低色散效應(yīng)對濾波器性能的影響。

在帶阻濾波器的設(shè)計中，阻帶抑制特性及通帶到阻帶的過渡特性是設(shè)計兩個重要方面。帶阻濾波器的設(shè)計常見于窄帶或者寬帶的設(shè)計，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，采用平面?zhèn)鬏斀Y(jié)構(gòu)形式具有低成本，易于加工的優(yōu)點，大量的相關(guān)設(shè)計的文章發(fā)表于各種期刊雜志，但是，關(guān)于中等阻帶寬度的帶阻濾波器設(shè)計的文獻(xiàn)較為少見，本文設(shè)計了一種X波段帶阻濾波器，采用“支線式”結(jié)構(gòu)，Ansoft HFSS軟件仿真，實現(xiàn)通帶2～18GHz，具有15%的阻帶帶寬，陡峭的過渡帶。

2 帶阻濾波器設(shè)計的基本原理

首先，介紹幾種平面帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示，這三種濾波器結(jié)構(gòu)是1/4波長短截線微波帶阻濾波器的常見類型，“平行耦合式”結(jié)構(gòu)(圖1(a)所示)適用于窄帶帶阻濾波器，“并聯(lián)基型”(圖1(b)所示)適用于寬帶帶阻濾波器，而“支線式”結(jié)構(gòu)(圖1(c)所示)適用于中等帶寬帶阻濾波器的設(shè)計。

本文設(shè)計一種中等阻帶寬度的帶阻濾波器，采用圖1(b)所示的支線式電路結(jié)構(gòu)，其等效于圖2(a)所示的1/4波長短截線帶阻濾波器基型電路，這種基型帶阻濾波器的準(zhǔn)確設(shè)計公式[5]，可以應(yīng)用頻率變換和黑田變換，直接從集總原件LC梯形低通原型推導(dǎo)出來，具體步驟是：①確定低通原型;②將各元件乘以帶寬因子;③加入單位元件，應(yīng)用黑田變換;④確定電路結(jié)構(gòu)。

圖1 帶阻濾波器的幾種結(jié)構(gòu)形式

支線式結(jié)構(gòu)于平行耦合式結(jié)構(gòu)是等效的，它們均等效于圖2 b)所示的結(jié)構(gòu)形式，同時等效于圖2 a)所示的1/4波長短截線帶阻濾波器并聯(lián)基型，這兩種濾波器的單節(jié)與基型單節(jié)的參數(shù)間的關(guān)系為：

(1)

(2)

(3)

其中，

實現(xiàn)條件為：

(4)

式中，Y1為并聯(lián)短截線的特性導(dǎo)納，Y12為聯(lián)接線的特性導(dǎo)納，Ca、Cb為桿對地單位長自電容，為桿間單位長互電容，η0為自由空間波阻抗，εr為相對介電常數(shù)。

圖2 支線式帶阻濾波器的等效[!--empirenews.page--]

3 X波段帶阻濾波器設(shè)計

本文所設(shè)計的帶阻濾波器的技術(shù)指標(biāo)如下：

中心頻率：f0 =11.8GHz

阻帶：10.9GHz-12.7GHz(相對帶寬15%)

阻帶內(nèi)衰減：L≥45dB

通帶插損：IL≤2.0dB@2-10.1GHz&13.5-18GHz

根據(jù)前面的分析，采用支線式結(jié)構(gòu)設(shè)計濾波器能夠滿足15%阻帶帶寬的要求，根據(jù)阻帶衰減要求，取n=10，采用RT/durold®6002陶瓷板作為基板，相對于微帶線來說，懸置帶線能夠減小損耗，能夠獲得更加優(yōu)越的過渡帶特性。在ADS中建立原理圖，給出各短截線及主線的初值并優(yōu)化，從而得到帶阻濾波器的各結(jié)構(gòu)參數(shù)的較準(zhǔn)確的值，在此基礎(chǔ)之上，采用Ansoft公司的三維電磁場仿真軟件HFSS建立三維模型，進行參數(shù)掃描或者優(yōu)化，確定參數(shù)的精確值，得到滿足指標(biāo)要求的仿真曲線，如圖3所示，阻帶衰減大于45dB的范圍約為16%，通帶插損不大于2.0dB，滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。這樣，既利用了原理圖設(shè)計的簡單性及快速性，又利用了三維電磁場仿真的準(zhǔn)確性，從而可以快速而準(zhǔn)確的設(shè)計出所需要的濾波器電路。

圖3 帶阻濾波器仿真曲線

根據(jù)仿真得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)的準(zhǔn)確值，進行了加工與測量，其實物照片如圖4所示。

圖4 帶阻濾波器實物圖

采用安捷倫公司的E8363B矢網(wǎng)測試，測量結(jié)果如圖5所示。測量結(jié)果顯示：阻帶衰減在10.9GHz-12.7GHz范圍內(nèi)大于48dB，其邊帶特性較仿真有一定的惡化，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)：無論調(diào)節(jié)那個一諧振，其第二個通帶(13.5-18GHz)的駐波變化很小，基本上沒有改善，而第一個通帶(2-10.1GHz)的駐波均可以通過調(diào)試使其小于2，可調(diào)性很高。分析出現(xiàn)以上情況的原因，一是軟件求解存在的仿真誤差，二是加工誤差的引入，三是部分結(jié)構(gòu)參數(shù)不可調(diào)，只能調(diào)節(jié)各個諧振支線的電長度，其耦合不可調(diào)，導(dǎo)致第二通帶駐波有一定的惡化?？梢酝ㄟ^進一步的優(yōu)化仿真，提高加工精度，適當(dāng)減小諧振短截線的長度，改善高端的駐波比，通過調(diào)諧釘補償諧振器的電長度，以達(dá)到改善濾波器性能的目標(biāo)。

圖5 帶阻濾波器測量曲線

4 結(jié)論

本文采用支線式結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種中等阻帶帶寬的帶阻濾波器，使用懸置帶線結(jié)構(gòu)獲得較高的Q值，陡峭的邊帶過渡特性，該濾波器還具有低成本、易于加工的優(yōu)點，滿足工程應(yīng)用的需要。