微波無線電通信系統的研究

摘 要：隨著通信技術的不斷發展，無線電技術中的微波有源、無源部件的研究對于提高衛星通信系統以及雷達系統的性能具有非常重要的意義。本文主要圍繞無線電收發信機中的微波有源、無源部件，結合微帶傳輸線理論提出了抑制雜波的SIR電容藕合微帶帶通濾波器結構，詳細分析了SIR諧振器結構通過調整諧振器的阻抗比實現雜波頻率控制的機理，給出了SIR電容藕合帶通濾波器的仿真結果。

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關鍵詞：微波;無線電;帶通濾波器;雜波抑制

中圖分類號：TN925文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)07-044-03

Study on Microwave Components of Wireless Communication System

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YE Shunfu

(Zhangzhou Employment Center，Zhangzhou，363000，China)

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Abstract：With the development of communication technology，it becomes very valuable to study on microwave active and passive components in wireless technology as excellent to enhance the capability of satellite communication systems or radar system.Based on the study for the spurious suppression technology of microstripbandpass filter，a capacitive coupled Stepped Impedance Resonators(SIR) microstrip passband filter is proposed，the principle that spurious center frequency can be controlled by adjusting the SIR impedance ratio are analyzed and the results of passband filter simulation is given.

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Keywords：microwave;wireless;bandpass filter;clutter suppression

1 引 言

雷達、衛星通信、無線電遙感，導航系統的研究使得無線電技術得到了快速的發展，尤其到了20世紀末期，隨著移動通信技術、射頻識別技術、無線網絡的應用，無線電技術的研究進入了一個新的發展時期。射頻或微波無線電通信系統的前端都由不同的部件通過傳輸線連接構成。無線電通信系統的前端中既包含無源部件如功分器、藕合器、濾波器、延遲線、隔離器、環行器以及天線等又包含有源部件如混頻器、開關、相移器、本振、放大器等。要提高整個無線電系統的性能，除了在設計系統的時候，需要綜合考慮各個部件的指標分配以外，每個部件的性能指標以及其實現形式也要進行考慮，因此研究具有特性功能的微波部件具有非常重要的意義。

在傳統的無線電收發信機中，為于降低雜波響應對混頻器、功率放大器等非線性部件的影響，通常最直接的方式是在帶通濾波器的輸出端口串聯一個低通濾波器，額外低通濾波器的使用不僅增加了濾波器的插入損耗同時也加大了濾波器的體積。而具有雜波抑制特性的帶通濾波器不僅可以實現這個功能，同時由于抑制了雜波還可以提高帶通濾波器的通帶對稱性以及高端阻帶的衰減特性。因此，本文在研究了國內外關于微帶結構帶通濾波器的雜波抑制技術的基礎上結合微帶傳輸線理論提出了抑制雜波的SIR電容藕合微帶帶通濾波器結構，詳細分析了SIR諧振器結構通過調整諧振器的阻抗比實現雜波頻率控制的機理，給出了SIR電容藕合帶通濾波器的仿真結果。

2 微帶SIR電容間隙藕合帶通濾波器的設計原理

傳統的電容間隙微帶藕合帶通濾波器是采用λ/2傳輸線作為諧振器，通過邊緣的端電容藕合而實現的濾波器結構，該結構和平行藕合微帶帶通一樣，不具有諧波抑制特性。SIR諧振器構成的濾波器由于其減小了微帶藕合諧振器的奇模和藕合的相速，可以抑制濾波器的一階諧波通帶。利用SIR諧振器的特性，將其取代電容藕合帶通濾波器的λ/2微帶諧振器，得到了一種可以控制其諧波頻率的微帶SIR電容間隙藕合帶通濾波器((CGC)，仿真結果證實了其抑制諧波的特性。

3 等電長度SIR諧振器

SIR諧振器是由兩個以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成的準TEM波的諧振器。微帶SIR諧振器如圖1所示，其結構為對稱的，中間和兩端的特性阻抗分別為Z1和Z2，電長度分別為2θ1和2θ2， θR=2(θ1+θ2)，阻抗比值K=Z2/Z1，SIR諧振器終端開路時其輸入導納為：



Yin=j1Z2#8226;2(Ktan θ1+tan θ2)(K－tan θ1#8226;tan θ2)K(1－tan 2θ1)(1－tan 2θ2)－2(1+K2)tan θ1#8226;tan θ2

(1)



當θ1＝θ2＝θ時，即等于SIR諧振器，上式可以簡化為：



Yin=j1Z2#8226;2(K+1)(K－tan 2θ)#8226;tan θK－2(1+K+K2)tan 2θ+Ktan 2θ

(2)



根據電磁場理論當Yin＝0時，SIR滿足諧振條件，即K=tan2θ。

圖1 微帶SIR諧振器

設諧波響應中心頻率為Fsn(其中n=1，2，3，…)對應的電長度為θsm，由文獻[2]有

tan θs1=∞，tan 2θs2=K，tan θs3=0，一階寄生通帶的電長度最小值為π/2，所以有:



fs1fs0=θs1θs0=π2tan －1K

(3)



由式(3)可以看出SIR諧振器不同的阻抗比值將使得其一階諧波中心頻率的位置不一樣，因此可以通過調節SIR的阻抗比來控制一階諧波通帶的中心頻率。例如當SIR諧振器阻抗比值K=05的時候，一階諧波通帶的中心頻率在255f0處。

4 SIR電容藕合帶通濾波器設計

傳統的電容藕合帶通濾波器是一種用近似為頻帶中心頻率f0的半波長傳輸線作為諧振單元，端電容間隙為藕合結構的自接藕合半波長濾波器如圖2所示，每個諧振器的長度定義為一個容性間隙中心到下一個容性間隙中心的距離，其一階諧波通帶的中心頻率為第一通帶中心頻率的2倍左右。

圖2 電容間隙藕合微帶濾波器

根據濾波器理論其導納變換器導納的公式為：



J01 Y0=πW2g0g1 ω′1



Jj，j+1Y0j-1，n-1=πW2ω1gj gj+1

Jn，n+1Y0=πW2gngn+1ω′1

(4)



其中:gj為低通原型濾波器的元件數值，W為帶通濾波器的相對帶寬，ω′1為歸一化帶邊頻率。W=ω2－ω1ω0=2ω2－ω1ω2+ω1，ω2為上帶邊頻率，ω1為下帶邊頻率。己知導納變換器的導納后，即可對電容間隙的尺寸和諧振器的長度進行設計。

因為電容間隙比較小，故間隙電納可以使用集中參數串聯電納Bj，j+1來表示，如圖3所示。電容間隙藕合結構的等效電路如圖4所示。串聯電納和導納變換器導納J的關系為：



Bj，j+1Y0=Jj，j+1/Y01－(Jj，j+1/Y0)2

(5)



知道串聯電納Bj，j+1后，諧振器的實際長度可以通過式(6)、式(7)進行計算，也可以自接通過串聯電納由圖表進行計算。



θj=π－12arctg2Bj－1，jY0+arctg2Bj，j+1Y0

(6)

lj=λθj2π

(7)



其中λ為帶線中的導波波長。

圖3 微帶SIR電容間隙藕合濾波器結構

圖4 小電容間隙等效電路

兩諧振器間的電容間隙Δj，j+1可以由串聯電納來計算。因為電容的間隙比較小，所以邊緣電容效應可以忽略，則間隙電容可以用平板電容公式來確定，所以微帶諧振器之間的間隙可以通過下面的公式確定：



Bj，j+1=ω0C

(8)

C=0225εrAΔj，j+1

(9)



式中Bj，j+1單位為歐姆，A為導帶截面積，單位為平方英寸。

在實際的設計過程中，由于Δj，j+1比較小，通過經驗公式計算的電容間隙誤差比較大，可以利用微波CAD電路仿真軟件，通過設置初值的方法來優化計算諧振器之間的電容間隙。

5 濾波器的仿真

微帶SIR電容藕合帶通濾波器結構如圖3所示，濾波器的諧振單元由具有一定阻抗比的SIR諧振器構成，輸入、輸出端的阻抗為50 Ω特性阻抗。利用SIR諧振器結構在介電常數為27，高度為15 mm介質基板上設計、仿真了兩個帶通濾波器。一個中心頻率f0=3 GHz，分數帶寬為3%，通帶內有02 dB切比雪夫波紋的SIR電容藕合帶通濾波器，SIR的阻抗比值為k=05。選用了三階SIR結構來實現濾波器，將設計得到的最初數據使用微波CAD仿真軟件對其進行了優化，仿真結果如圖5所示。

圖5 中心頻率為3 GHz的SIR微帶

CGC帶通濾波器頻率響應

從圖5中可以看出設計的SIR電容藕合帶通濾波器具有較好的頻率響應，在295 GHz和305 GHz有約18 dB的衰減。其中一階諧波通帶的中心頻率在約26f0處與理論計算的當SIR諧振器阻抗比k=05時一階諧波通帶中心頻率在255f0處相差約2%。另一個的中心頻率為191 GHz，分數帶寬為1%的微帶SIR電容藕合帶通濾波器，SIR的阻抗比值k=034，理論計算其一階諧波通帶中心頻率應該在297f0處，一階諧波通帶的中心頻率為

582 GHz，約為主通帶中心頻率的3倍，理論和仿真結果非常一致。由此可見通過調整SIR的阻抗比，可以偏移寄生通帶，從而達到抑制諧波的目的。

增加SIR諧振器的阻抗比值為01，在介電常數為27，高度為15 mm介質基板上設計中心頻率f0=15 GHz，分數帶寬為2%的濾波器，高阻抗線電長度為378°，低阻抗線為113°的微帶電容藕合帶通濾波器的結構，輸入、輸出端口為特性阻抗為50 Ω的微帶線，優化微帶電容藕合間隙以及諧振器的電長度后可以獲得濾波器仿真結果。從中得到結果:濾波器在二階雜波通帶的中心頻率響應小于-20 dB，從而進一步說明通過調整SIR諧振器的高、低阻抗比可以控制濾波器的雜波響應。

6 結 語

文中介紹了微波帶通濾波器的概況，分析了采用SIR諧振器電容藕合帶通濾波器結構抑制雜波的機理，并給出了設計實例以及仿真結果。結果表明，具有雜波抑制特性的帶通濾波器不僅可以降低雜波響應對混頻器、功率放大器等非線性部件的影響，還可以提高帶通濾波器的通帶對稱性以及高端阻帶的衰減特性。

參 考 文 獻

［1］岡薩雷斯，白曉東.微波晶體管放大器分析與設計[M].北京:清華大學出版社，2003.

［2］清華大學微帶電路編寫組.微帶電路[M].北京:人民郵電出版社，1975.

［3］甘本被.吳萬春.現代濾波器的結構與設計[M].北京:科學出版社，1973.

［4］徐鴻飛.同軸腔帶通濾波器的一種設計方法[J].微波學報，2004，20(1)：55-58.

［5］李勝先.吳須大.基于遺傳算法的微波類橢圓函數濾波器的優化設計[J].空間電子技術，2002(3)：60-65.

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作者簡介 葉順福 男，1963年出生，福建省平和縣人，工程師，曾獲得漳州市2001年度科學技術進步獎三等獎。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。