接收機鏡像抑制濾波器的設計

電子科技大學電子工程學院 褚童松 習友寶

1.引言

射頻濾波器是接收機中必不可少的部件，可以用來組合和分開不同頻率的信號，如在混頻或倍頻的通路中實現頻率的選擇。由于電磁波譜資源的有限性，通過使用濾波器既可以讓某一頻段的信號順利的通過，又可以有效地抑制其他頻段的信號經過該系統。從不同的方面來給微波濾波器分類：按作用分類（如低通、帶通等），按結構分類（如微帶線、波導等），按照加載方式可分為（如單終端、雙終端）等[1]。

2.發夾型濾波器的原理

2.1 工作原理分析

發夾型濾波器的耦合結構在原理上屬于交叉耦合，即負載端和輸入端的耦合通路不唯一，除了基本的相鄰兩個諧振器的直接耦合外，其它諧振器兩兩之間還存在著微弱的耦合[3]。雖然發夾型諧振器和平行耦合諧振器一樣都是半波長的諧振器，但是與平行耦合結構相比更加緊湊，減小了尺寸從整體上降低了濾波器的成本。與普通的梳狀線帶通濾波器相比，不需要在諧振臂的末端加過孔，消除了在設計過孔時引入的誤差。因此微帶線濾波器的設計中得到較多的使用。圖1給出了兩種常用發夾型諧振器的基本結構。

其中（a）所示的結構較為簡單，Dishal的理論證明了發夾型濾波器的各臂可以采用相同的特性阻抗，只需要通過調節相鄰諧振器之間的距離最終可以達到滿足設計參數的濾波器[3]。

圖1 兩種常用發夾型諧振器的結構

2.2 濾波器的仿真設計

本課題中設計的發夾型濾波器的指標要求：中心頻率工作在830MHz，帶寬為30MHz，工作時的插入損耗小于6dB，輸入和輸出反射系數小于-14dB，小于763MHz處阻帶抑制為-50dB。

ADS2008是由安捷倫公司推出的專門用于射頻與微波電路的仿真和設計的輔助工具，它大大縮短了射頻電路的設計周期，既能夠進行系統的總體仿真又能進行各部分的仿真，是一款性能優良的電子設計自動化軟件[2]。利用ADS軟件中微帶線計算小工具可算出每個諧振臂微帶線的大體尺寸。該濾波器的介質基板使用F4B-2高頻板，介電常數ε=2.65，板材厚度0.5mm，覆銅高度為35um。

圖2所示為使用ADS軟件建立的原理圖模型：

圖2 發夾型濾波器原理圖

經過軟件的優化仿真得到的原理圖仿真結果如圖3所示。

圖3 濾波器原理圖仿真結果

圖4 中心頻率和帶寬實際效果

從上圖的仿真結果看插入損耗小于1dB，帶外抑制有-50dB,完全達到了設計的目標。但在濾波器基片的實際加工過程中由于加工精度不夠和材質本身的影響，往往會造成中心頻點的漂移，因此在做原理圖仿真的時候往往將設置優化的目標中心頻點向下調整10MHz左右。

3.實物測試效果和實物圖

圖4和圖5是使用Agilent8712ET射頻網絡分析儀的測試圖，從圖中可以看到濾波器的中心頻點在826MHz，3dB帶寬為37.8MHz，插入損耗為-5.7dB，中心頻點向下偏移了4MHz。圖4中偏移中心頻率67MHz處抑制為-50dB以上。但是反射系數不夠好830MHz處約為-13dB。該濾波器的實際插入損耗比較大的主要原因是諧振臂之間的距離較大，而在ADS軟件中的原理圖和LAYOUT仿真時采用的均為理想模型，對無源的微波元器件最好能使用HFSS軟件進行仿真，這也是以后需要改進的方面。

另外在微帶線的設計和加工上階梯阻抗發生變化，接頭處和彎曲端都不可避免的要發生相位和振幅等多方面的變化，從而引起信號的傳輸產生誤差。對于消除這種誤差既可以將發生誤差處的模型通過測量建立起來并在實際的設計中作為電路的一部分，也可以通過將直角接頭處采用圓滑的彎頭或者切角的辦法。對于圓滑彎頭的半徑選取R>3W，其中W為微帶線的寬度,切角的處理辦法是使得斜切角的長度為A=1.8W[4]。相比較第一種建立誤差模型的辦法方法二顯得更易實現。圖6是該濾波器的實物圖照片。

4.結束語

經過整機的聯調證明該射頻帶通濾波器使得接收機的鏡像信號得到明顯的抑制。

圖5 帶外抑制和反射系數實測圖

圖6 帶通濾波器的實物圖

[1]現代微波濾波器的結構與設計.

[2]Advanced Design System 2008 user’sguide,2008,Agilent Technologies.

[3]H Jiasheng,J LANCASTER,Microstrip Filters for RF/Microwave Applications,New York:John Wiley & Sons Inc,2001.

[4][美]David M.Pozar.微波工程(第三版)[M].張肇義,周樂柱,等,譯.北京:電子工業出版社,2006.3.