S頻段平行耦合微帶帶阻濾波器的設計

姚明陽，馬漢林

(柳州鐵道職業技術學院，廣西柳州，545616)

0 引言

在微波射頻電路系統中，帶阻濾波器是一種應用非常廣泛的無源器件。它的主要作用是使有用信號盡可能小的衰減在其傳輸線路上，盡可能大的衰減干擾信號。在微波電路系統中，濾波器的性能直接影響著整個電路的性能指標。帶阻濾波器性能指標的好壞，直接決定了整個射頻鏈路性能的好壞。在一些S頻段收發一體的系統中，由于收發頻段間隔較小，要求帶阻濾波器的帶寬較窄，對其他信號影響較小。文獻[1]中采用分支線的結構來設計帶阻濾波器，這種結構在相對帶寬較大時（如大于40%時），各支線具有合理的阻抗水平，比較容易實現，但是對于窄帶，各支線的阻抗很高導致無法實現。文獻[2]提出了基于電容耦合支線結構的帶阻濾波器，但是該濾波器具有較差的通帶駐波特性，文獻[3]中提出采用支線中間加集總電容來改善駐波特性，但這樣會影響帶寬響應。耦合微帶帶阻濾波器[4、5]克服了并聯分支線阻抗大無法實現、電容耦合支線間隙小實現困難的缺點，具有頻帶窄、抑制性好和設計方便等特點而被廣泛地應用于各種射頻通信系統中。

1 帶阻濾波器設計基本原理

帶阻濾波器可以由低通濾波器原型轉換而來，兩者之間存在一定的對應關系：

低通原型的并聯電容變換到串聯LC電路，元件值為：

1.1 平行耦合微帶帶阻濾波器的理論依據

平行耦合微帶線是由間距很小的兩根微帶線組合而成，兩個傳輸線之間電磁場的相互作用，當其中一根微帶線上有信號源傳輸時，該傳輸線上的部分能量通過耦合作用傳遞給與它平行的另一根微帶線上，同時另一根微帶線上的電磁能量也會耦合到信號源的微帶線上，常用常規的電壓和電流很難分析，一般利用奇偶模特性阻抗分析法[6]對平行耦合傳輸線進行分析。得到耦合線的奇模特性阻抗Z0e模特性阻抗Z0o而求出耦合線的尺寸。平行耦合線的參數可以通過微帶線線寬和兩微帶線間的間距來改變。平行耦合帶阻濾波器的耦合線濾波器波節和等效電路如圖1所示。

圖1 平行耦合微帶線圖（a）耦合單元（b）等效電路

耦合傳輸線的鏡像輸入阻抗是：

其中θ代表電長度。

耦合微帶帶阻濾波器的耦合線可以等效為一端電角度為θ，特性阻抗為Zeq1的傳輸線，在旁邊串聯一段特性阻抗為Zeq2的開路線，等效阻抗是：

常規的帶阻濾波器如圖2所示。實現窄帶帶阻濾波器，采用并聯諧振單元的結構會導致并聯分支線的特性阻抗非常大，這樣微帶線就會很細，加工工藝不易實現，采用串聯分支會導致阻抗很小，也很難實現。實際使用中采用兩種方法來解決這個問題：

圖2 常規帶阻濾波器結構(a)并聯諧振單元(b)串聯諧振單元

（1）電容耦合分支線，結構如圖3所示，以分支線和主線之間的間隙作為耦合電容，這種方法的缺點是盡管電容值很小，但相應的間隙尺寸仍很小，加工實現公差對性能影響較大，很難保證其性能；

圖3 電容耦合分支線濾波器

（2）耦合微帶帶阻濾波器如圖1所示。此單元在主線旁耦合了一段電角度為θ輸線，該線一端開路，另一端短路。該耦合線可以等效為一端電角度為θ性阻抗為Zeq1的傳輸線，在旁邊串聯一段特性阻抗為Zeq2的開路線，當θ=90°單元具有帶阻特性。當頻帶較窄時，理論上只需要改變耦合線的間距和寬度，從而改變耦合單元的奇、偶模特性阻抗。

2 濾波器的仿真與設計

本文要設計的帶阻濾波器主要用于S頻段收發系統中，其工作頻率為S頻段，帶內對發射信號（帶寬1980MHz～2010MHz）的抑制要有30dB以上，對接收信號（帶寬：2170MHz～2200MHz）的抑制盡可能的小，由于收發信號的頻率間隔只有160MHz，這是設計的難點。對于該類型的濾波器而言，級聯的級數越多，其帶外抑制效果越好，但是其帶寬會變寬，尺寸也較大。綜合考慮各方面的因素，本濾波器采用3級耦合微帶線來實現，由于結構的對稱性，則第1級和第3級的微帶線尺寸相同，則需要優化的參數是微帶線的尺寸的參數是微帶線的長度、寬度以及微帶線間的距離。

在該設計中考慮到加工的周期和加工的成本，選擇的基本材料為TLY-5A，其相對介電常數為2.17，基板的厚度為0.508mm，銅的厚度為0.035mm，根據耦合線的特性阻抗，計算出微帶線的尺寸，利用仿真軟件進行建模，得到三級耦合微帶帶阻濾波器的模型如圖4所示。

圖4 三級微帶窄帶帶阻濾波器的HFSS模型

在具體的建模時，為了獲得良好的阻抗匹配性能，在微帶耦合線濾波器的兩端添加了阻抗變換部分，經過仿真軟件優化，其仿真結果如圖5和圖6所示。

圖5 阻帶抑制和通帶插損仿真結果

圖6 端口駐波仿真結果

從圖5可以看出，該濾波器的阻帶衰減小于-40dB，通帶插損小于1dB，滿足設計要求。通過建模仿真可以發現，每一級微帶線的寬度，間距和長度對仿真結果的影響是不同的。調節微帶線的長度，這個主要影響濾波器的中心頻率，因為根據平行耦合微帶線濾波器的原理，其工作頻率跟其四分之一波長是對應的。當調整微帶線的寬度和間距時，可以對回波和阻帶特性進行調整。因此，為了達到較好的仿真效果，在掌握了各種參量對仿真結果的影響之后，主要利用仿真優化工具來進行仿真優化。

3 濾波器的實測與分析

將優化后的仿真模型導出成DXF格式，然后在利用Cadence軟件進行PCB繪制。從仿真中來看，微帶線的寬度，間距和長度等變量對仿真結果影響較大，因此在PCB委外加工的時候，一定要向廠家提出較高的加工精度，這樣才能保證加工出來的PCB的質量，在微帶線的兩側增加接地孔和螺釘孔，便于印制板的固定和良好的接地，最終加工出的印制板如圖7所示。為了對該頻段的濾波器進行測試，對用于測試的腔體結構進行了加工，如圖8所示。

圖7 印制板實物

圖8 濾波器測試腔體結構（a）腔體結構整體模型（b）開蓋模型

采用矢量網絡分析儀，對圖7所示的帶阻濾波器進行測試，其阻帶特性和回波損耗如圖9所示。

從圖9的測試結果看，在所測試的頻帶范圍內，該濾波器的阻帶損耗在-30dB以下，對接收信號的衰減為3dB，達到了當初設計的預期目標。對濾波器的實際測試的結果來看，阻帶特性和通帶插損比仿真效果差很多，這主要由兩方面原因造成的，一是兩個SMA接頭焊接處造成的損耗；另一是濾波器印制板的加工精度達不到要求造成的。

圖9 濾波器通頻帶特性測試結果

4 結束語

本文以S頻段耦合微帶帶阻濾波器的基本理論為依據，利用電磁仿真軟件HFSS對濾波器結構建模、電磁仿真、分析優化后，設計了一款應用于S頻段的平行耦合帶阻濾波器，其頻帶比較窄，過渡帶相對較陡峭，大大提高了設計的精度和效率。對該濾波器進行實際測試，該濾波器的在收發間隔160MHz的過渡帶內實現30dB的隔離，接收通帶的插損約為3dB，達到了實用的要求，可用于相關頻段的射頻收發鏈路中，實現收發隔離。