一種新型寬阻帶管狀帶通濾波器的設計?

龔文斌

一種新型寬阻帶管狀帶通濾波器的設計?

龔文斌

（成都天奧電子股份有限公司，成都611731）

為改進原管狀帶通阻帶特性，設計了一種新型結構。基于阻抗匹配，可在端頭引入任意多“Г型”網絡。同時其衰減極點能有效抑制“諧振峰”狀寄生，阻帶拓寬多達1倍頻程（現為1.27 f0～17 f0）。改進后，濾波器具有低插損（小于等于0.77 dB）、輕量化（小于等于64 g）、高寄生抑制（大于等于75 dB）等特點。目前，該濾波器已成功小批量應用，提高了整機抗干擾性能。在電磁環境日益復雜的雷達、通信系統中，它將有著廣闊的應用前景。

帶通濾波器；寄生抑制；寬阻帶；管狀濾波器；Г型網絡；衰減極點

1 引言

現代無線偵測、無線通信中設備面臨的電磁使用環境已日趨擁擠和異常復雜［1］。為免遭干擾，帶通濾波器成為接收中常使用的模塊之一。現階段射頻工程師在設計中，除關注濾波器插入損耗、矩形系數、阻帶衰減等常見指標外，也正密切關注其寬阻帶特性［2］。PBG、SIR等對諧波抑制的應用［3］也自然成為目前人們研究的熱點。近年來，IEEE關于此類內容也有較多探討。因為這一指標決定了在多寬頻段范圍內接收機可不受干擾的程度，同時也體現了接收系統在復雜電磁環境中的適應、生存能力。

管狀濾波器是一種半集總參數濾波器。在目前廣泛應用的濾波器中，其結構獨特。相比之下，它具有相對“寬阻”和“高Q”的特點。但美中不足的是：寬阻帶內，仍會有少數“諧振峰”狀寄生出現，如文獻［4］中的測試結果。本文設計實例在研制初期采用常規設計也存在類似問題，不滿足研制要求。如能在其基礎上加以改進，無論是較單純的腔體、LC、微帶濾波器，還是較級聯方式的復合濾波器，將得到結構相對簡潔、寬阻特性相對理想的帶通濾波器。

2 Γ型匹配網絡

進行濾波器電路設計前，先介紹需插入的Г型網絡。

2.1 阻抗變換器

對于終端接有負載電阻為RL、自身特性阻抗為Z0、長度為l的無耗傳輸線來說，其輸入阻抗Zin可表示為

式中，β為傳播常數。當βl=π／2，即l=λ／4= c／（4 f）（c為光速），有：

此時輸入、輸出實現近似完全匹配。利用上述特性，可在端口阻抗為R的帶通濾波器兩端插入任意多個阻抗變換器而保持原濾波特性不變，如圖1所示。

滿足式（3），可保證輸入、輸出匹配：

2.2 阻抗變換器的Γ型網絡等效

阻抗變換器在窄帶條件下，有著多種等效網絡。其中帶傳輸零點的Г型網絡有著圖2所示的結構，因其外型酷似“Г”而得名。雖貌似橢圓函數低通，但兩者有區別：一是結構不同且Г型網絡元件較少；二是對多個寄生的抑制中，Г型網絡中抑制頻率既可完全相同也可不同，且任意指定，而后者卻不能。因此Г型網絡有著較高的抑制效率。

圖2 中，若要網絡兩端在ω0=2πf0附近實現匹配，應有：

式（4）左右兩邊實部、虛部分別相等，有：

聯立式（5）和式（6）（見2.3節）可解出匹配網絡中L1、C1、C2元件值。

2.3 Γ型網絡中的衰減極點

并聯于網絡輸入、輸出端的電感、電容在傳輸特性中會引入衰減極點。通過移動極點位置和控制衰減幅度可改善原有寄生響應。

對于阻帶內需抑制頻點為fR的寄生峰，有：

網絡中：C1的減小可加大衰減極點處衰減幅度；L1的變化可移動極點出現的位置；C2可補償C1、L1發生變化后引起的帶內失配。了解這些對于調試很有幫助。

2.4 Γ型網絡的物理實現

若計算結果中：C1較大時，可采用微帶引腳的集總電容跨接實現；C1較小時，可采用兩金屬電極空間耦合或控制電極間相對面積實現；L1較大時，可采用螺旋電感實現；L1較小時，可采用低阻抗金屬短桿或多電感并聯實現；C2采用同軸傳輸線并聯電容實現，且易與原常規設計的管狀濾波器相連。

3 帶Γ型網絡的管狀濾波器設計

3.1 技術要求

某接收機中，需研制出滿足下列指標的帶通濾波器：中心頻率為f0（L頻段）；通帶帶寬為0.92 f0～1.08 f0（相對帶寬16%）；帶內插損小于等于0.85 dB；帶內幅度不平度小于等于±0.1 dB；帶內電壓駐波比小于等于1.3；DC～0.66 f0和1.27 f0～17 f0抑制大于50 dB；重量小于70 g。

由此可見，寬阻帶、低插損和輕量化是本濾波器研制的技術難點。

3.2 設計思路

首先找出需要抑制的寄生諧振峰出現位置和數量，再決定引入Г型網絡的數量和抑制頻點，最后通過整體仿真、局部參數修正，確認指標達到情況后完成設計。

3.3 詳細設計

3.3.1 寄生峰出現位置和數量的確定

就本濾波器而言，對其寄生的分析不能依賴解析式求解，因誘發原因較為復雜，如空間結構、器件雜散參數等，易在電路建模中漏項而得不到準確結果。三維電磁場仿真軟件HFSS通過場的分析計算，能提供較為可信的結果。經實踐，其對管狀濾波器的仿真和試驗結果（圖3）較吻合，這也驗證了將HFSS作為抑制寄生分析手段的可行性。

經考慮，在原設計中引入兩個Г型網絡，對9.2 f0附近寄生進行抑制。令fR=9.2 f0，Ra=50Ω，Rb= 57Ω，代入式（5）、式（6）可得相應L1、C1、C2元件值。

3.3.2 原切比雪夫管狀帶通濾波器設計

管狀帶通濾波器常規電路拓撲結構如圖4所示。

電路中：

式中，w為濾波器相對帶寬，ω0為濾波器中心頻率，R為負載阻抗，gi（i=0，1，…，n）為低通原型元件值。

經核算，采用6階切比雪夫帶通濾波器（帶內波紋為0.02 dB）實現，由式（7）～（12）得到相應元件值。

3.3.3 總體設計

為避免輸出電感與兩端高頻連接器內導體直接相連造成結構上的不穩定，端接同軸線小電容C00=0.7 pF加以改進。將設計好的兩個Г型網絡插入原電路，見圖5。再對電路對地電容種類簡化。經優化，設計達最佳狀態。

圖5 中：L1=10 nH，L2=23.1 nH，L3= 31.37 nH，L4=31.8 nH，C00=0.7 pF，C0=2.26 pF， C1=0.039 pF，C2=1.36 pF，C3=1.12 pF，C4= 0.51 pF，C5=0.39 pF，C6=0.35 pF。

3.3.4 物理尺寸的確定

（1）低阻抗同軸傳輸線并聯電容

物理實現中，并聯對地電容C由同軸線靜電容和邊緣分布電容Cf兩部分構成，其關系見公式（13）：

式中，a為內導體半徑，b為外導體半徑，ε0=8.85 ×10-15F／m，εr為相對介電常數，Cf可利用保角變換求得。文獻［5］給出了相應的計算圖表，可快速查詢結果。

（2）螺旋電感、串聯電容

文獻［6］提出了一種利用HFSS和S參數曲線擬合法相對比提取螺旋電感、串聯電容等效參數的方法。經實踐，該方法具有較高的設計效率。

綜合各部分設計，濾波器內部結構見圖6，其相應參數如下：d0=0.8mm，d1=3.7mm，d2= 1.2mm；CC0=4.5mm，CC1=0.8mm，CC2= 1.0mm，CC3=1.1mm；L0內徑2.5mm，1.2圈，L1內徑2.5mm，2.2圈，L2內徑3mm，2.2圈，L3內徑3mm，2.3圈。

圖6 中，圓筒內卷有0.4mm厚的聚四氟乙烯介質。

由此在HFSS中建立仿真模型。經多次優化和參數修改，得到較理想的仿真結果。

4 試驗結果

圖7～9是改進后的管狀濾波器實物照片及其測試曲線中阻帶近、遠區抑制情況。

從圖8、圖9可看出：改進后的管狀濾波器通帶內插損小于等于0.77 dB，較改進前增大約0.1 dB；帶內波動約±0.05 dB；駐波比小于等于1.12；0.66 f0、1.27 f0處抑制均大于50 dB；在易出現寄生的頻率高端（1.35 f0～17 f0范圍內）抑制大于75 dB，較改進前提高約42 dB。測試結果與仿真吻合，證明了設計方法的有效性。濾波器重量實測為64 g，較改進前增加了8 g。

與文獻［4］中類似產品的對比中，寄生通帶出現位置由9.2 f0延伸至17 f0以上，阻帶拓寬1倍頻程以上，同時幅度抑制提高約20 dB。因其性能優異，目前已成功小批量應用。

5 結束語

從設計實例可看出，通過在常規設計中引入若干帶衰減極點的Г型匹配網絡，實現了對管狀帶通濾波器阻帶任意頻點諧振峰狀寄生的抑制，同時也獲得了較理想的寬阻效果。Г型網絡等效雖然是在窄帶條件下得到的，但多節阻抗變換器的級聯可展寬帶寬，寬帶條件下匹配也可通過Г型網絡多級級聯實現。新型管狀帶通濾波器具有低插損、寬阻帶、輕量化等特點，在電磁環境日益復雜的雷達、通信系統中，將會有廣闊的應用前景。

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Design of a Novel Wide Stopband Tubular Bandpass Filter

GONGWen-bin
（Chengdu Spaceon Electronic Co.，Ltd.，Chengdu 611731，China）

A new structure is designed to improve the characteristics of original tubular filter′s stopband.Based on the impedancematch，it can be inserted arbitrary number ofГ-type networks at the ports.Meanwhile，its attenuation poles can effectively suppress the spurious of resonance hump.The width of rejection is broadened more than one octave（1.27 f0～17 f0now）.The improved filterswith the characteristics of low insert loss（≤0. 77 dB），lightweight（≤64 g），high spurious suppression（≥75 dB）are applied in batch at present.The antiinterference ability ofmachine in which the filter is applied is better.It has a good application prospect for the radar and communication systems inmore and more complex electromagnetic environment.

bandpass filter；spurious suppression；wide stopband；tubular filter；Г-type network；attenuation pole

the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2003.He is now an engineer and also a graduate student.His research concerns design of microwave circuits and devices.

1001-893X（2011）10-0099-05

2011-06-23；

2011-08-24

TN713

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.020

龔文斌（1981—），男，浙江義烏人，2003年于電子科技大學獲學士學位，現為工程師、碩士研究生，主要研究方向為微波電路及器件設計。

Email：gwb714＠163.com，13550067964＠139.com

GONGWen-bin was born in Yiwu，Zhejiang Province，in 1981.He