微帶線實現環形交叉耦合帶通濾波器的設計

王 蒙，孫 梅

(泰山學院物理與電子工程學院，山東泰安 271021)

1 引言

微波濾波器是微波工程中重要的微波器件之一，在系統中常以二端口網絡形式出現，并完成一個基本的功能:允許通帶內頻段的微波信號傳輸，阻止阻帶頻段微波信號傳輸.這種頻率的分離和組合，也是大多數微波系統設計的中心問題.一般情況下，射頻電路設計中濾波器都使用無源電路來實現.

隨著數字移動通信系統的飛速發展，激烈的擴頻競爭迫使人們更加關注濾波器的性能，特別是通帶內的低插入損耗、高篩選性、阻帶陡峭、小型化等優良特性.因此在微波頻段濾波器的工藝、材料和結構不斷改進完善，促進了微波系統和微波集成電路的發展.本論文正是根據微波濾波器的特性設計一種微帶交叉耦合環形濾波器，要求其小型化、頻段規則性高、邊緣陡峭，可用于小型化天線系統.

2 濾波器設計要求及方案

在微波設計綜合的過程中一般分為4個階段:

(1)給定指標要求

對于一個二端口濾波器網絡有:截止頻率、通帶損耗、阻帶邊頻、阻帶衰減以及輸入輸出阻抗等主要技術指標.

(2)選定逼近函數

設計濾波器要選定其低通原型濾波器，常用的包括巴特沃斯函數、切比雪夫函數、橢圓函數和高斯多項式，根據選定的逼近函數確定諧振腔的數目.

(3)確定系統結構

選定了微波濾波器的類型，通過計算或查圖表可得出系統的尺寸、參數和拓撲結構，確定網絡結構圖或電路圖.

(4)微波仿真實現

通過微波設計軟件進行仿真設計得到結論驗證設計，根據結果驗證是否滿足給定指標要求，進行分析誤差，最后工藝實現.

本論文要設計的濾波器主要技術指標:濾波器的中心頻率是915MHz，FBW=50%，帶內回波損耗為20dB，帶內等波紋衰減 Lp=0.1 dB，輸入、輸出的同軸線特性阻抗為50Ω，微帶線介質參數為10.8/1.27，要求阻帶陡度較高.

由上述設計指標可確定設計方法，采用“準橢圓函數濾波器”類型，它是橢圓函數的修正函數，帶外具有有限傳輸零點的帶通濾波器可以采用此函數.本論文擬采用高品質諧振腔交叉耦合的形式實現該帶通濾波器，結構簡單緊湊，通帶陡度較高，適合小型化設計，性能較高的天線或雷達雙工器等電路使用.

3 濾波器設計過程

本論文采用三腔微帶環形諧振器實現一個交叉耦合濾波器.

(1)n腔交叉耦合帶通濾波器等效電路如下圖所示:

取n=3，可得3×3階耦合矩陣M:

(2)修正橢圓函數

3階橢圓函數濾波器的低通增益函數修正為

其中

其中的等波紋系數也必須進行修正:

取ωF導數為零的點，得到(－1，1)內各點的最大值α，有

n

(3)元件的微波實現

利用HFSS軟件設計此交叉耦合環形濾波器，微帶線介質參數為10.8/1.27.腔體為半波長方腔結構，通過磁耦合和交叉耦合構成，腔間耦合程度通過腔間距離來控制，通過饋線位置、合適的邊界條件以及腔體尺寸距離調節，使得濾波器諧振頻率為915MHz左右，滿足設計要求.

4 設計論證及二次應用

(1)設計建模

本論文選用Ansoft HFSS軟件進行仿真設計，選用材料為10.8/1.27的接地板，確定饋線端口和邊界條件，進行掃頻求解，圖1為在HFSS中繪制的交叉耦合濾波器，圖2為交叉耦合濾波器的拓撲網絡結構和腔體尺寸距離..

圖1 三腔環形交叉耦合濾波器

圖2 濾波器的尺寸結構

(2)仿真結果

設置掃頻頻段為0.8～1.05GHz得到濾波器反射系數和傳遞系數曲線如圖3所示，由圖可得該濾波器中心頻率為915MHz，帶寬為45MHz頻率范圍，帶外抑制大于20dB，帶內等波紋衰減較小，邊緣陡峭，基本滿足設計要求.若需要其他指標濾波器可以適當調節耦合環的位置.

圖3 反射系數和傳遞函數曲線圖

(3)濾波器應用

本論文設計的微波濾波器，具有小型化、頻段選擇性高、邊沿陡峭等特點，適用于小型化雷達雙工器等，雷達雙工器是利用兩個不同中小頻率的帶通濾波器將不同頻段的信號傳輸給同一傳輸線，并借助于同一副無線發射出去，同時將同一無線接收來的不同頻段信號分開，便于檢測.這樣可以改善隔離度，提高雷達靈敏度和保密度，在雷達通信系統里應用廣泛，如圖4所示.

圖4 射頻接收機通信模塊

5 結論

在雙工器、多工器等濾波器組合中，為了改善隔離度，希望濾波器特性的邊沿更陡峭，用交叉耦合形式比較合適，它可以在高低兩端實現零極點，進一步提高帶通濾波器的帶外抑制.本文設計了一種小型化交叉耦合濾波器，由3個高品質諧振腔組成，設計指標中小頻率為915MHz，通帶為45MHz，并采用HFSS軟件對其進行仿真，仿真結果說明該濾波器與設計指標基本一致，設計方法簡單實用，可行性高，該射頻帶通濾波器尺寸單位為毫米，材料可為新型陶瓷材料性能滿足邊沿陡峭、小型化、功耗較低等特點，可很好應用于毫米波波段工程.

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