X波段發(fā)夾型帶通濾波器設(shè)計(jì)

黃應(yīng)千，胡天濤

（貴州航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，貴州 貴陽550009）

微波濾波器作為一種重要的選頻器件，已經(jīng)應(yīng)用在任何類型的微波通信、雷達(dá)測試或者是測量系統(tǒng)中［1］。目前常用的微波濾波器結(jié)構(gòu)有：平行耦合線結(jié)構(gòu)；交指型結(jié)構(gòu)；梳狀線結(jié)構(gòu)；發(fā)夾型結(jié)構(gòu)等［2］。發(fā)夾型濾波器耦合線終端開路，無需過孔接地，減小了誤差，而且具有高帶外抑制性能。

本文根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)基本原理，通過ADS軟件仿真、優(yōu)化，設(shè)計(jì)了通帶為X波段（10.8 GHz～12 GHz）的微帶發(fā)夾型濾波器，介紹了微帶濾波器的設(shè)計(jì)方法。

1 濾波器設(shè)計(jì)原理

發(fā)夾型濾波器通過半波長的u型諧振單元排列而成，每個(gè)諧振器臂長約為1／4波長，采用抽頭線的饋電方式［3］。發(fā)夾型濾波器的性能主要由諧振器臂長、諧振單元間距、線寬和抽頭位置來決定［4］。

1.1 濾波器參數(shù)計(jì)算

濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶為10.8 GHz～12 GHz，在8 GHz處 衰 減 大 于60 dB，13.5 GHz處 衰 減 大 于45 dB，基板選用Rogers R04350。

濾波器參數(shù)計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 濾波器參數(shù)計(jì)算流程

1.2 計(jì)算步驟

濾波器中心頻率為11.4 GHz，帶寬為1.2 GHz。相對帶寬δ＝1.2／11.4＝10.5%。濾波器在8 GHz處的衰減大于60 dB。

8 GHz歸一化以后的低通形式為

13.5 GHz歸一化以后的低通形式為

根據(jù)歸一化后的低通形式和衰減值查表確定濾波器階數(shù)，根據(jù)階數(shù)確定濾波器元件值。

耦合傳輸線奇模偶模和奇模線阻抗為

其中倒相器常數(shù)ZJn計(jì)算公式為：

式中，N 為濾波器階數(shù)；g1、g2、…、gN＋1為濾波器元件值。

2 發(fā)夾型濾波器設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

濾波器通帶為10.8 GHz～12 GHz，在8 GHz處衰減大于60 dB，13.5 GHz處相對衰減大于45 dB。基板選用 Rogers R04350，板厚為0.254 mm，介電常數(shù)為3.48。

2.2 濾波器結(jié)構(gòu)

根據(jù)指標(biāo)，以及通過查表確定了7階等紋波元件值。g1＝g7＝1.7372，g2＝g6＝1.2583，g3＝g5＝2.6381，g4＝1.3444，g8＝1。

根據(jù)公式（3）～（7）計(jì)算出耦合傳輸線偶模阻抗以及奇模阻抗，通過ADS軟件中LineCalc工具，可以計(jì)算出各耦合傳輸線線長l、線寬w、間距s。由于在計(jì)算過程中存在一定誤差，往往導(dǎo)致仿真結(jié)果和理論上存在誤差。在對常數(shù)變量化以后，ADS具有優(yōu)化仿真功能，使仿真結(jié)果更加理想。

根據(jù)以上分析，在ADS中建立了原理圖，如圖2所示。

通過計(jì)算和ADS優(yōu)化仿真，確定了發(fā)夾型濾波器諧振單元臂長、線寬、間距以及抽頭位置。原理圖中：l＝3 mm、l1＝0.87 mm、l2＝1.1 mm、l3＝1.1 mm、l4＝1.1 mm、s1＝0.1 mm、s2＝0.2 mm、s3＝0.22 mm，抽頭位置為0.25 mm。

2.3 版圖仿真

通過原理圖優(yōu)化仿真后，生成版圖，進(jìn)行了版圖仿真，發(fā)夾型濾波器版圖如圖3所示。

圖2 7階發(fā)夾型濾波器原理圖

圖3 發(fā)夾型濾波器版圖

生成版圖后進(jìn)行了版圖仿真，仿真結(jié)果如圖4。根據(jù)仿真結(jié)果可以得出，濾波器中心頻率基本為11.4 GHz，帶寬為1.2 GHz，在8 GHz處插入損耗為－60 dB，在13.5 GHz處插入損耗為－56 dB。

圖4 發(fā)夾型濾波器版圖仿真結(jié)果

3 發(fā)夾型濾波器實(shí)物測試

實(shí)物圖如圖5所示。

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了測試，得到S21測試曲線。根據(jù)仿真結(jié)果可以得出，濾波器中心頻率基本為11.4 GHz，帶寬為1.2 GHz，在8 GHz處插入損耗為－72 dB，在13.5 GHz處插入損耗為－50 dB。圖6為仿真值和實(shí)測值對比，兩者在中心頻率、帶寬基本一致。

圖5 發(fā)夾型濾波器實(shí)物圖

圖6 發(fā)夾型濾波器測試結(jié)果

4 結(jié)束語

ADS原理圖優(yōu)化仿真和版圖仿真可以較為便捷地應(yīng)用在濾波器仿真設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)時(shí)通過原理圖仿真達(dá)到甚至優(yōu)于指標(biāo)要求后，進(jìn)行版圖仿真。ADS版圖仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致。此外ADS仿真速度相對較快，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了效率。