新型小型化寬帶懸置微帶濾波器的分析與設計

夏運強, 唐 濤, 陳釘均

(1.成都信息工程學院電子工程學院,四川成都610225;2.四川省高等學校數值仿真重點實驗室,四川內江641112)

1 引言

濾波器是無線通信中的一種關鍵部件,隨著航天、雷達和通信技術的發展,對濾波器提出了小型化、寬頻帶、低插損等要求。目前實現濾波器小型化主要手段主要有：利用微波有源電路做成微波單片集成(MMIC)有源濾波電路;采用高介電常數材料減小傳導波長,進而減小諧振器長度。在當前情況下,這2種方法均難實現帶內插損低帶外抑制高的要求[1]。

文中將采取改進濾波器傳輸線的方法。若采用腔體結構,濾波器尺寸太大;若采用標準微帶線結構,其插損又將增大。而采用懸置微帶傳輸線的方式,將有效減小濾波器尺寸,降低其插入損耗,并且采用終端開路的交指結構,可以實現濾波器的寬頻帶設計要求。把懸置微帶線等效成帶狀線,在此基礎上設計出終端開路的交指濾波器結構,最后利用電磁場全波仿真軟件,對設計出的濾波器的電磁特性進行了具體分析。

2 懸置微帶交指濾波器設計原理

2.1 帶狀線理論

在微波濾波器中最常用的帶狀線,是所謂“對稱帶狀線”(或稱“夾心線”),是由距離為 b的兩接地板和中心導帶(厚度為t,寬度為w)所組成[2,3],其結構如圖1所示。

對于同一種均勻介質,矩形中心導帶的帶狀線的特性阻抗Z0與 t/b及w/b的大小有關。

2.2 懸置微帶線理論

懸置微帶線是將導體帶條敷于薄介質片上而懸掛在接地板上面的空間,如圖2所示。從圖示的結構可知,這種微帶線的大部分電力線將集中在空氣中,因而介質引入的影響小,整個空間的介電常數接近于1,在構成耦合微帶線時,奇偶摸相速的不一致性也有所減小,傳輸線的Q值提高了,有利于用作濾波器、諧振腔等電路元件[4]。

圖1 帶狀線結構

圖2 懸置微帶線結構

若懸置微帶線結構中的a+h=c,則懸置微帶線相當于填充了某種介質的對稱帶狀線。在w＞＞h(即邊緣場的作用不大)時,可用下列公式計算介質的有效介電常數[5]：

由a+h=c,a+h+c=b可得b=2c,那么根據式(1)可得

2.3 交指濾波器理論[2-3]

交指濾波器是指由平行耦合線諧振器陣交叉組成的結構,多用作慢波系統。但近年來研究表明,它具有優良的帶通特性,具有如下優點：(1)結構緊湊,可靠性高;(2)每諧振器間距較大,公差要求低,容易制造;(3)由于諧振桿長度近似等于1/4波長,所以第二通帶中心在3ω0以上,其間沒有寄生通帶;(4)既可作成印刷電路形式,又可作成腔體結構。因此,交指濾波器在電子系統,尤其在通信技術及近代航空航天領域中被廣泛使用。

終端開路交指濾波器如圖3所示,這種結構從桿1到桿 n(包括兩終端桿在內)都是用作諧振器,因此對于n個電抗元件低通原型,只要n個桿就能實現。

終端開路交指濾波器結構能實現寬帶濾波器的設計要求,在交指濾波器中,由于桿端分布電容的影響,諧振器實際長度比1/4波長略短,如果人為地加強端電容,將使諧振器桿變得更短,而成為電容加載交指型濾波器。

2.4 終端開路交指濾波器的設計公式[2]

用變換式選定低通原型的元件數目 n,從而求出元件數值gk,ω′1。然后計算

圖3 終端開路濾波器結構圖

接下來計算每個桿的歸一單位長自電容：

式中ε是介電常數,εr是相對介電常數。h是導納比例因數,選定它以得到方便的導納水平。

而兩相鄰桿間的歸一化單位長互電容可以通過下式進行計算：

需要說明的是,以上計算公式只適用于帶狀線濾波器。

3 濾波器設計過程

設計的濾波器主要針對應用廣泛的S波段,其技術指標如下：通帶2-4GHz,中心頻率 f0=3GHz,相對帶寬BW=67%,帶內插損小于1.5dB,在fs=5GHz處衰減大于40dB。濾波器采用懸置微帶傳輸線,結構采用終端開路交指形式,傳輸函數采用切比雪夫型。

濾波器設計步驟如下：

(1)基片選取Roges4350,εr=3.48,厚度 h=0.508mm,銅箔厚度 t=0.018mm,下腔高度 a=2mm,則上腔高度c=a+h=2.508mm。

根據式(2)可得懸置微帶線的有效介電常數εe=1.08,這樣懸置微帶線就轉換為了帶狀線。

(2)用變換式確定濾波器階數n=7。

(3)根據終端開路交指濾波器設計公式,計算出懸置微帶線濾波器的初值如下：

桿長P=22.5mm,桿到腔壁距離d=1mm

各桿的寬度 W和各桿間的縫隙S分別為：W1=2.76mm,S12=0.15mm;W2=0.58mm,S23=0.80mm;W3=1.00mm,S34=0.90mm;W4=1.00mm。最終設計出的濾波器結構如圖4所示。

(4)仿真驗證

采用美國Ansoft公司的HFSS對濾波器電磁特性進行三維電磁場仿真,HFSS采用的是有限元法(FEM),對于天線、濾波器等微波無源器件的仿真非常準確。圖5所示為HFSS仿真所得的濾波器傳輸特性曲線。從圖5可以看到,該濾波器在2-4GHz內具有很好的帶通特性,在f≥5GHz時,其衰減已經大于40dB,滿足設計要求。

圖4 濾波器結構圖

圖5 濾波器HFSS仿真曲線

4 濾波器的測試和分析

根據HFSS仿真結果加工出懸置微帶濾波器,濾波器整體尺寸為：30mm×30mm×20mm,如圖6所示。利用R&S矢量網絡分析儀ZVB20對設計出的濾波器進行測試,得到濾波器的S11和S21曲線,其結果如圖7所示。

從圖7也可以看出,濾波器已經滿足了設計帶寬要求,帶內插損小于1.5dB,5GHz處衰減為51dB,大于40dB的設計要求。由于加工的精度影響,實測的反射曲線比仿真結構稍差一些,仿真的回波損耗12dB,實測的回波損耗10dB。如果拋開加工精度等人為因素的影響,實測所得的結果與仿真結果還是符合得很好的。

圖6 濾波器實物

圖7 濾波器實測曲線

5 結束語

介紹了懸置微帶濾波器的設計方法,根據這些方法,從理論分析和電磁仿真的角度設計出了一種新的具有交指結構的懸置微帶線濾波器。實驗結果表明,這種濾波器具有小型化、寬頻帶、低插損的特點,在移動通信和微波通信領域中將有著十分廣泛的應用前景。

致謝：感謝成都信息工程學院校選科研項目(CRF201102)對本文的資助。

[1]高戟,苗敬峰.一種新型懸置微帶濾波器設計[J].微波學報,1998,14(4)：360-365.

[2]黃慰.交指型帶通濾波器的設計與研究[D].成都：西南交通大學,2004.

[3]馬行軍.交指型帶通濾波器的設計[D].西安：西安電子科技大學,2007.

[4]J S Hong,M J Lancaster.Microstrip Filters for RF/Microwave Applications[M].New York：JOHN WILEY&SONS,INC,2001.

[5]Makimoto M,S Yamashita.Microwave Resonators and Filters for Wireless Communications-theory and Design[M].Berlin：Springer-Verlag,2001.