一種性能優化的發夾型微帶線濾波器的分析與設計

王宇飛

(海軍駐武漢地區通信代表室,武漢 430070)

0 引言

濾波器是無線通信系統的重要無源器件之一，在射頻、微波、毫米波通信、衛星導航定位以及遙感遙測等領域具有十分重要的應用，其性能的好壞直接影響著整個系統的整體性能和通信質量[1]。近年來，隨著微波、毫米波通信技術的發展，特別是便攜式智能移動通信終端的快速發展，濾波器正朝著體積小、質量輕、低損耗、易集成等方向發展[2]，由于微帶線濾波器具有這些優點，已經成為現代移動通信（4G/5G）集成濾波器的首選方案，近年來備受關注[3]。研究人員先后提出了多種微帶線濾波器，其中，比較常用的微帶線濾波器主要有平行耦合線濾波器[4]、交指濾波器[5]以及梳妝線濾波器[6]。平行耦合線濾波器由于在各平行耦合節上進行同方向級聯處理，導致尺寸較大；交指濾波器和梳妝線濾波器的過孔設置，導致了高頻信號的震蕩誤差和干擾，限制了其應用和發展。而微帶型發夾濾波器由于結構緊湊、體積小、重量輕、成本低以及不需要接地，消除了過孔引入的高頻誤差，具有更加魯棒的電性能[7,8]，在現代微波電路中備受青睞。

但是，目前設計的多數帶通濾波器沒有考慮交調畸變的影響，導致通帶內波紋起伏較大，衰減嚴重，導致接收機在解調信號的時候，對中頻信號產生了一定的帶內干擾，并且會產生一定程度的衰減，因此，在進行微帶線濾波器設計的時候，必須對帶內畸變干擾的抑制方法進行深入分析，降低通帶損耗，最大可能的減少畸變干擾及衰減對有用信號的影響。有的文獻采用矩形調諧短截線的共面波導饋入電容微帶折疊L型槽天線結構，有的文獻通過引入阻抗結題跳變的階躍阻抗諧振器以及在傳統平行耦合器末端增加開路短截線結構，雖然這些方法有效的抑制了高頻諧波分量，改善了濾波器的整體性能，但均沒考慮通帶內交調畸變的影響，且設計過程復雜，抑制效果一般，無法滿足現代通信設備小型化及其性能的需求。

在分析發夾型濾波器基本原理的基礎上，本文提出了一種用于抑制通帶內波紋起伏及減小帶內衰減的新方法。首先，在傳統發夾濾波器結構之后加入短路短截線與諧波四分之一波長開路短截線并聯諧振結構，能夠在不影響有用信號的情況下，很好地抑制交調干擾。然后，通過采用微帶徑向短截線（MRSTU）擴大抑制干擾帶寬，實現通帶內寬頻帶干擾的有效抑制。最后，基于本文方法設計了一款2.3GHz到2.5GHz的五階發夾型帶通濾波器，將所設計的濾波器性能同目前常用的帶通型發夾濾波器的性能進行了比較，并給出了本文設計濾波器的群延遲特性和駐波比（VSWR）.

1 微帶線發夾型濾波器原理分析

微帶線發夾型濾波器是由平行耦合線的半波長諧振線對折而成，其諧振單元如圖1（a）虛線框所示，可以等價為圖1（b）所示結構，其阻抗矩陣為（1）式。其中Z0e、Z0o分別表示傳輸線偶模、奇模特性阻抗，β表示傳輸線的相位延遲因數，l為傳輸線的長度。

將阻抗矩陣變為傳輸矩陣，即ABCD參量矩陣。

圖1 發夾型濾波器結構及其電路等效

微帶線耦合單元可以用圖1（c）中由J導納倒置器連接兩端長度為L的微帶線電路等效，根據傳輸線傳輸矩陣，容易寫出等效電路的傳輸矩陣為

化簡即

其中Y0為輸入和輸出端口傳輸線的特性導納，Y0＝1 /Z0。由（2）式和（4）式等價，并取L為1/4波長，即βL＝π/ 2，可以得到

（5）式中，J導納轉置器的導納J為：

其中，gi是標準低通濾波器參數原型值,BW是濾波器帶寬。將（6）式代入到（5）中就可以求得耦合微帶線的偶模、奇模特性阻抗，再利用軟件即可以得到耦合微帶線的線寬、線長以及間距。

2 考慮通帶交調畸變影響分析

傳統的發夾型濾波器都是采用彎折微帶線構成，雖然體積相對于其他濾波器有所減小，但是帶內波紋起伏較大，且對有用信號存在衰減，影響了濾波器的性能。該部分在傳統發夾濾波器結構之后引入了短路短截線與帶通頻率四分之一波長開路短截線并聯諧振結構，采用諧振的思想抑制帶內交調干擾，并對抑制性能進行了理論分析。由于這種抑制方法只能針對單點頻率取得最優值，為了擴展到整個通帶內的抑制能力，分析中采用微帶徑向短截線（MRSTU）代替直接微帶線，實現通帶內寬頻帶干擾的有效抑制。假設已知終端有載傳輸線的輸入阻抗為

因在四分之一波長處開路短截線ZL＝∞，則Zin＝0 等效于短路接地，因此相應的信號被抑制。這里開路短截線起到了陷波器的作用，將電路中的無用信號濾除，有效消除通帶內的波紋，并且有效減少通帶內的衰減。在無線通信系統中，通常采用并聯電路諧振時表現的阻抗最大特性進行選頻?？紤]到開路短截線相當于電容，短路短截線相當于電感，兩者并聯等效于構成了一個有效的LC諧振電路。發生LC并聯諧振的條件為

可以計算相應的諧振阻抗為

由于諧振電路中電感感抗值與電容容抗值大小相等，相位相反，即

可以計算相應的諧振電路總阻抗為Z＝∞。由于當前應用的多數發夾濾波器的輸出阻抗為50 Ω。因此，這種結構在有效抑制波紋信號的前提下，對有用信號基本上不產生影響。由于紋波四分之一波長開路短截線是固定的，要使抑制效果在一定帶寬內達到有效效果需要不斷的改變短路短截線長度，在設計分析中發現使用直微帶短截線效果沒有達到抑制寬帶波紋的要求，為了在寬帶范圍內抑制波紋干擾，采用微帶徑向短截線代替直微帶短截線。由于 MRSTUB具有比直微帶短截線更寬的頻率范圍，更加適合在寬頻帶內使用，有效擴大了抑制諧波的帶寬，并且能夠有效降低濾波器通帶內的損耗。具體的諧振電路的匹配結果如圖2所示。

圖2 通帶交調干擾抑制原理圖

3 設計實例及性能分析

根據前面的分析，該部分設計一個五階的帶通發夾型微帶濾波器。其通帶為2.35～2.55 GHz，電路板參數為基板厚度h=1mm，介電常數Er=4.4，導體電導率 Cond=5.88E+7，導體厚度T=0.03 mm，損耗正切TanD=0.008。在設計濾波器過程中，為了簡化濾波器結構，將濾波器的耦合線線寬設計為相同，取1.65 mm，耦合線線長L取四分之一波長，這里取17.6 mm，將彎折線長L0取為2.3 mm，所以將發夾壁長l取13 mm，抽頭取發夾壁中心位置即可。濾波器的原件數選擇N=3，利用ADS軟件計算出耦合微帶線的線寬W和間距S，結果如表1所示。

表1 各階耦合微帶線參數

3.1 原理圖仿真對比分析

該部分將普通發夾微帶濾波器與本文方法設計的濾波器進行了原理仿真分析，圖3、圖4分別給出了普通發夾微帶濾波器和本文設計濾波器的一節耦合單元。仿真中主要針對帶內紋波平坦度以及帶內損耗進行了分析。其仿真結果如圖5至圖8所示。由圖5可以看出，普通發夾帶通濾波器的帶內紋波起伏較大，帶內衰減最大值達到了-10.759 dB，在不僅過優化的情況下，基本上是不能直接應用于通信系統的。

圖3 普通濾波器的一階耦合單元

圖4 本文濾波器的一階耦合單元

圖5 普通濾波器通帶平坦度及損耗

圖6 普通濾波器回波反射系數及損耗

圖6展示了普通發夾帶通濾波器的回波系數和損耗，在通帶內發射系數較大，進一步說明了信號在通帶內存在較大的衰減。圖7中可以看出，經過本文方法優化以后的濾波器通帶平坦，通帶內的最大損耗只有-0.803 dB，且圖8中的最大反射系數只有-14.223 dB，性能明顯改善，可以滿足實際應用的需求。

圖7 本文濾波器通帶平坦度及損耗

圖8 本文濾波器回波反射系數及損耗

3.2 版圖仿真分析

為進一步說明本文設計濾波器的優越性和實用性，針對所設計的原理電路生成了相應的PCB版圖，并對濾波器的實際效果進行了版圖分析。

圖9 本文濾波器版圖

圖9為本文方法生成的濾波器版圖。為了分析該濾波器在實際應用中的性能，對群延遲特性和駐波比進行了分析，圖10和圖11分別給出了相應的分析結果。有圖10中可以看出，在通帶內群延遲特性保持了較好的線性度，滿足應用的實際需求；圖11中的駐波比在通帶內的最大值為1.483，也滿足了實際應用的要求。

4 結論

本文針對普通微帶型發夾濾波器的波紋震蕩較大、帶內衰減嚴重的問題進行了優化分析，在充分分析發夾濾波器原理的基礎上，提出了一種新的設計方法，在傳統發夾濾波器結構之后加入短路短截線與諧波四分之一波長開路短截線并聯諧振結構，有效抑制了帶內交調干擾。采用MRSTU擴大抑制干擾帶寬，實現通帶內寬頻帶干擾的有效抑制。同過ADS原理仿真分析和版圖仿真可以看出，本文方法設計的微帶型發夾濾波器的帶內紋波平坦，帶內衰減改進了近10 dB，回波損耗減低了近 15 dB，且通帶內群延遲保持了較好的線性度，完全滿足現代通信系統的指標需求。但是考慮到ADS軟件建立仿真近似模型的系統誤差以及實際的生產過程中的材料和加工工藝等問題，最后的產品可能和仿真分析的效果有一定的偏差，因此，在下一步的研究中，將主要針對實際產品的進一步優化展開。

圖10 本文濾波器群延遲特性

圖11 本文濾波器駐波比

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