一種集成濾波器的帶狀線天線饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 盧 煒 劉松濤

中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所 楊 鍇

本文介紹了一種用于Ku頻段衛(wèi)星通信天線的帶狀線天線饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，采用帶阻濾波器抑制了發(fā)射信號(hào)對(duì)接收通道的干擾，濾波器結(jié)構(gòu)簡單、尺寸可調(diào)整、易于集成。饋電網(wǎng)絡(luò)厚度僅0.6mm，非常適合低剖面天線應(yīng)用需求。

濾波器和功分網(wǎng)絡(luò)是天饋系統(tǒng)中最常用到的兩種功能部件，尤其在陣列天線系統(tǒng)中幾乎必不可少，濾波器作為通信系統(tǒng)中提高收發(fā)信道隔離度的器件尤其重要。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是將濾波器與功分網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立設(shè)計(jì)，通過連接器、電纜或其他接口形式將兩者相連接，該種設(shè)計(jì)方案在對(duì)天饋系統(tǒng)尺寸要求寬松的情況下適用，但當(dāng)天饋系統(tǒng)要求低剖面時(shí)則并不適用，需要綜合考慮將兩者功能集成化設(shè)計(jì)。

文章介紹了一種可應(yīng)用于衛(wèi)星通信Ku頻段的帶狀線濾波功分網(wǎng)絡(luò)，基于Ku頻段衛(wèi)星通信陣列天線的應(yīng)用，針對(duì)地面產(chǎn)品發(fā)射上行信號(hào)對(duì)下行接收頻段的抑制需求進(jìn)行了研制，可有效地消除上行發(fā)射信號(hào)對(duì)下行接收信號(hào)的干擾，同時(shí)兼顧設(shè)備小型化低剖面的要求，設(shè)計(jì)了一種尺寸可靈活排布的濾波器形式，將濾波功能集成于天線饋電網(wǎng)絡(luò)中，并通過微波仿真軟件ADS和HFSS進(jìn)行了驗(yàn)證。該Ku頻段帶狀線濾波功分網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)如下指標(biāo)要求：（1）實(shí)現(xiàn)1分4功能帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)；（2）通帶頻率（發(fā)射上行）為13.75GHz～14.5GHz，通帶損耗 ≤ 9dB；（3）阻帶頻率（接收下行）為11.45GHz～12.75GHz，阻帶抑制度 ≥ 40dB；（4）饋電網(wǎng)絡(luò)面積尺寸≤65mm×7.5mm，厚度≤1mm。

1 帶狀線濾波器設(shè)計(jì)

相比于微帶線或波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)，基于多層印制板技術(shù)設(shè)計(jì)的帶狀線饋線網(wǎng)絡(luò)具有尺寸薄、重量輕等優(yōu)勢，且?guī)罹€本身屏蔽性良好、受外界干擾小，非常適用于低剖面小型化要求的天饋網(wǎng)絡(luò)。考慮到應(yīng)用場景通常需求天線饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低剖面、小型化的設(shè)計(jì)要求，采用基于帶狀線的平面電路方案非常適合本設(shè)計(jì)。

平面電路濾波器有幾種經(jīng)典形式，其中平行耦合線濾波器、發(fā)夾濾波器、交指濾波器三種形式的帶通濾波器因制作簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、易集成等特點(diǎn)在平面印制板微帶或帶狀線電路設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于該三種濾波器均是通過諧振器間的耦合臂相互耦合的形式實(shí)現(xiàn)，而耦合臂的長度通常為λ0/4（λ0為濾波器中心頻率在傳輸線中的介質(zhì)波長），其長短對(duì)濾波器性能影響極大，尺寸不合適則會(huì)引起頻偏或駐波變差，很難與排布緊湊、尺寸局限性較大的天線饋電網(wǎng)絡(luò)電路集成在一起，因此應(yīng)尋求一種不受平行耦合臂限制的形式，而采用半圓形諧振器組成的帶阻濾波器可以滿足尺寸設(shè)計(jì)要求。

半圓形諧振器由一個(gè)U形半圓環(huán)外加輸入、輸出2個(gè)饋電抽頭組成，設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)選擇合適的印制板材料并建立ADS仿真模型進(jìn)行初步仿真。本設(shè)計(jì)中印制板選用了介電常數(shù)2.94、厚度0.254mm的TSM-DS3M材料，由2塊0.254mm的印制板壓合組成帶狀線，考慮到中間半固化黏合片的厚度約0.1mm，整個(gè)帶狀線的厚度約為0.254×2+0.1≈0.6mm。半圓形諧振器的諧振點(diǎn)f0（對(duì)應(yīng)波長為λ0）主要由半圓環(huán)長度決定，當(dāng)半圓環(huán)長度為3/4×λ0，且輸入、輸出抽頭位置分別在距離圓環(huán)兩端λ0/4位置時(shí)，可在頻點(diǎn)f0處產(chǎn)生陷波且陷波外的通帶平坦度良好。

將多個(gè)諧振器級(jí)聯(lián)后即可得到帶阻濾波器，圖1所示的濾波器采用了三級(jí)諧振器組成，圖2為其仿真結(jié)果，此時(shí)通帶頻率平坦，對(duì)要求的阻帶頻率抑制大于28dB。實(shí)際版圖布局時(shí)，可根據(jù)版圖尺寸空間折疊每節(jié)諧振器的U型線，只要保證半圓環(huán)各節(jié)長度與折疊后長度基本一致，則濾波器性能不會(huì)有明顯變化。

圖1 利用ADS進(jìn)行帶阻濾波器仿真建模

圖2 帶阻濾波器頻率特性仿真圖

2 帶狀線濾波饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)應(yīng)用于天線饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電網(wǎng)絡(luò)常用形式為T型節(jié)，通過3個(gè)T型節(jié)可組成1分4饋電網(wǎng)絡(luò)，在其間穿插帶阻濾波器并依照天線位置合理布局即可組成具有濾波功能的濾波饋電網(wǎng)絡(luò)。前述濾波器阻帶抑制度仿真結(jié)果為28dB，為達(dá)到40dB抑制度要求，應(yīng)增加諧振器數(shù)量或再額外串入一濾波器。

根據(jù)給定面積尺寸及天線接口位置進(jìn)行走線排布，在1分4網(wǎng)絡(luò)的合路及2分路處分別添加一組濾波器，以滿足抑制要求，每節(jié)諧振器的U型線根據(jù)空間尺寸進(jìn)行折疊調(diào)整，并采用計(jì)算更為精確的場仿真軟件HFSS進(jìn)行建模仿真；同時(shí)，為防止加工誤差帶來的頻帶偏移，設(shè)計(jì)時(shí)將通道向低頻端進(jìn)行了一定的擴(kuò)展。集成了濾波器的1分4饋電網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 利用HFSS進(jìn)行濾波饋電網(wǎng)絡(luò)仿真建模

圖4 濾波饋電網(wǎng)絡(luò)頻率特性仿真圖

仿真結(jié)果顯示，發(fā)射頻段通帶最大損耗為8.6dB（含6dB分配損耗），對(duì)接收頻段抑制度為56.7-8.6=48.1dB，滿足40dB抑制要求，模型尺寸62mm×7.2mm，厚度僅0.6mm，滿足低剖面設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論：本文基于衛(wèi)星通信陣列天線的應(yīng)用，針對(duì)地面產(chǎn)品發(fā)射上行信號(hào)對(duì)下行接收頻段的抑制需求研制了一種集成濾波器的帶狀線天線饋電網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)工作于衛(wèi)星通信Ku頻段，可有效的消除上行發(fā)射信號(hào)對(duì)下行接收信號(hào)的干擾，仿真設(shè)計(jì)值滿足指標(biāo)要求。