簡(jiǎn)述平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)與使用

陳川

摘 要 微波濾波器在電子對(duì)抗領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文闡述了帶通濾波器單元的基本原理。并結(jié)合實(shí)際使用設(shè)計(jì)了一款中心頻率8.4GHz的帶通濾波器，通過(guò)對(duì)濾波器的實(shí)際加工測(cè)試，結(jié)果表明該款濾波器符合設(shè)計(jì)應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞 帶通濾波器;耦合微帶線;設(shè)計(jì)應(yīng)用

Design and application of parallel coupled microstrip band-pass filter

Chen chuan

Nanjing Corad Electronic Equipment Co.，Ltd Jiangsu， Nanjing 211100

Abstract Microwave filter is widely used in the field of electronic countermeasures. This paper describes the basic principle of band-pass filter unit. And a band-pass filter with center frequency of 8.6GHz is designed in combination with practical application， Through the actual processing test of the filter， The results show that the filter meets the requirements of design and application.

Keywords Band-pass filter; Coupled microstrip line

引言

微波濾波器是微波系統(tǒng)中用于控制系統(tǒng)頻響特性的二端口網(wǎng)絡(luò)，在其通帶頻率內(nèi)對(duì)信號(hào)表現(xiàn)為傳輸特性;而在其阻帶頻率內(nèi)表現(xiàn)為衰減特性。微波濾波器廣泛應(yīng)用于雷達(dá)技術(shù)、電子對(duì)抗、衛(wèi)星通信以及微波測(cè)量?jī)x器中。在微波電路中，濾波器的性能對(duì)電路的性能指標(biāo)有很大影響，因此如何設(shè)計(jì)出一個(gè)具有高性能的濾波器，對(duì)設(shè)計(jì)出一個(gè)好的微波電路具有很重要的意義。微波濾波器分為微帶濾波器、介質(zhì)濾波器、波導(dǎo)濾波器和LTCC濾波器等。微帶電路具有易與微波電路相匹配連接等優(yōu)點(diǎn)，因此使用微帶線制作的濾波器在微波電路系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

1基本原理

如圖1所示的兩端微帶線，它們是帶通濾波器的基本單元，圖中畫出了該單元輸入、輸出端口的幾何結(jié)構(gòu)，開路條件以及相應(yīng)的傳輸線等效電路。

對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的開路傳輸線線段，先不考慮其嚴(yán)格處理方法的細(xì)節(jié)，這里直接給出其阻抗矩陣參數(shù)：

（1a）

（1b）

當(dāng)把這些基本單元級(jí)連構(gòu)成多節(jié)濾波器時(shí)，需要使用每個(gè)單元的兩個(gè)端口都與下一個(gè)元件匹配。這也被稱為求解鏡像阻抗。

（2）

在區(qū)間，以電長(zhǎng)度為自變量，可以得到輸入阻抗實(shí)部的函數(shù)響應(yīng)曲線，當(dāng)微帶線長(zhǎng)度為或時(shí)，可以得到典型的帶通濾波器特性[1]。

2設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與使用

單個(gè)帶通濾波器單元不能提供良好的濾波器響應(yīng)及陡峭的通帶-阻帶過(guò)渡。然而，可以通過(guò)級(jí)聯(lián)這些基本單元最終得到高性能的濾波器。

為設(shè)計(jì)一個(gè)符合工程要求使用的帶通濾波器，需要進(jìn)行大量的計(jì)算，具體可按如下步驟順序進(jìn)行：

選擇標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)。根據(jù)需要的衰減和紋波，選定采用巴特沃斯或切比雪夫設(shè)計(jì)方法后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)。

確定歸一化帶寬，上邊頻和下邊頻。根據(jù)濾波器特性對(duì)上邊頻和下邊頻以及中心頻率的要求，可以確定濾波器的帶寬。

可根據(jù)帶寬指標(biāo)計(jì)算下列參數(shù)：

（3a）

（3b）

（3c）

以上參數(shù)可用于計(jì)算傳輸線的奇模、偶模特性阻抗：

（4a）

（4b）

其中下標(biāo)表示圖3所示的耦合段單元，是濾波器輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗[2]。

確定微帶線的實(shí)際尺寸。

本文設(shè)計(jì)平行耦合微帶線帶通濾波器，通帶頻率范圍為6.3GHz～10.5GHz，距上下邊頻帶外1GHz處抑制優(yōu)于40dBc，通道內(nèi)紋波系數(shù)為0.5dB，輸入、輸出均為50歐姆阻抗匹配。根據(jù)指標(biāo)要求，選擇具有0.5dB紋波的7階切比雪夫?yàn)V波器作為原型，其元器件參數(shù)值為：，，，，，。利用（3）式和（4）式可以求出各階的奇、偶模特性阻抗，具體見表1所示：

介質(zhì)板材料選取Rogers Duroid5880，介電常數(shù)2.2，厚度為0.508mm。再利用ADS的LineCalculate功能，計(jì)算出每一微帶線的具體尺寸，然后在Ansoft HFSS中仿真優(yōu)化，最后優(yōu)化到的參數(shù)，，，最后將優(yōu)化結(jié)果出圖[3]，加工，實(shí)際測(cè)試曲線如圖2所示：

從實(shí)際測(cè)試結(jié)果可以看出，因采用7階結(jié)構(gòu)，帶外抑制要比設(shè)計(jì)預(yù)期提高了10dBc，實(shí)際測(cè)試曲線相對(duì)仿真結(jié)果出現(xiàn)一些頻率偏移，這可能和介質(zhì)板上傳輸線相對(duì)較細(xì)，金屬腐蝕加工精度有關(guān)，此外通過(guò)減小可以使中心頻率上移，適當(dāng)減小可拓展帶寬且減小帶內(nèi)損耗。這會(huì)在以后相關(guān)濾波器的工程設(shè)計(jì)中提供一些實(shí)際指導(dǎo)意義[4]。

3結(jié)束語(yǔ)

平行耦合微帶線帶通濾波器以其體積小、重量輕、頻帶寬、易與微波電路相匹配連接等優(yōu)點(diǎn)在微波電路中有著廣泛的應(yīng)用。本文借助切比雪夫?yàn)V波器低通原型元器件參數(shù)和微波CAD仿真軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，并給出了實(shí)際測(cè)試頻率響應(yīng)曲線，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可滿足實(shí)際工程使用需求，目前已經(jīng)使用在相關(guān)課題項(xiàng)目中。

參考文獻(xiàn)

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