一種懸置帶狀線帶通濾波器的設計方法

王昕宇 王長虹

(1.新南威爾士大學,悉尼1466;2.南京海清科技有限公司,江蘇 南京 210036)

0 引言

無線通信技術面臨的最大挑戰(zhàn)就是信息量大、頻率資源有限,高性能的帶通濾波器能夠很好地解決相鄰信道之間的互擾問題。

帶通微波濾波器的種類很多,綜合考慮濾波器的尺寸、技術指標和設計難度,本文主要研究懸置帶狀線帶通濾波器的設計和仿真。發(fā)卡型濾波器是由Edward G.Crista和Sidney Frankel于1972 年首次提出。該濾波器是由發(fā)夾型諧振器交叉耦合而成,具有結構緊湊、易于制造等優(yōu)點,能夠在通帶附近有限頻率處產(chǎn)生傳輸零點,因而濾波器的帶外抑制能力獲得極大提高。文獻[3]～[4]采用高低通濾波器級聯(lián)的方式實現(xiàn)了2～18 GHz超寬帶帶通濾波器的設計方法;文獻[5]～[6]介紹了4～8 GHz超寬帶帶通濾波器的設計思路和測試結果;文獻[7]介紹了2～4 GHz超寬帶帶通濾波器的設計方法,并利用ADS軟件對設計結果進行了優(yōu)化。上述文獻均介紹了超寬帶濾波器的設計方法,對濾波器的帶外抑制沒有特殊要求。本文主要討論窄帶帶通濾波器的設計和仿真,并對濾波器的帶內插損和帶外抑制提出了較高的要求。

1 濾波器設計

1.1 問題提出

本文考慮手機接收Wi-Fi信號的典型應用場景,3個干擾信號基站之間的距離各為1 km,每個干擾信號的發(fā)射功率均為20 W;路由器和手機之間的最大距離為10 m,路由器的發(fā)射功率為100 m W。參照我國通信信號頻率分布情況,路由器工作帶寬為2.4～2.5 GHz,最靠近的干擾信號工作頻率為2.37 GHz和2.55 GHz,手機接收Wi-Fi信號場景如圖1所示。

圖1 手機接收Wi-Fi信號場景圖

根據(jù)IEEE 802.11b 標準,為了滿足通信系統(tǒng)傳輸誤碼率小于10的要求,接收機的信干比(SJR)必須大于10 dB。

通過計算手機接收端口的通信信號和干擾信號功率,為了保證手機能夠可靠接收語音信號和圖像信息,接收機輸入端口的帶通濾波器技術指標如表1所示。

1.2 帶通濾波器設計

根據(jù)濾波器的設計理論,所有類型的濾波器均可映射成歸一化的低通濾波器,因此帶通濾波器的設計可以先從設計歸一化低通濾波器原型開始,然后再映射成帶通濾波器。通過MATLAB 仿真計算,滿足表1指標的帶通濾波器為5階濾波器。

表1 微波帶通濾波器技術指標

發(fā)卡型濾波器是由平行耦合線濾波器變形得來的,所以在計算發(fā)卡線的奇偶模特征阻抗時完全可以應用平行耦合線濾波器的求奇偶模阻抗方法來分析。

根據(jù)文獻[8]～[10]可知,奇模和偶模的特征阻抗表達式為:

式中:為傳輸線特性導納;為導納倒置器的特性導納。

式中:為濾波器的階數(shù);為原型低通濾波器參數(shù);為相對帶寬;的取值范圍為0≤≤1。

根據(jù)以上公式,可以得出平行耦合線奇模和偶模特征阻抗的求解結果,如表2所示。

表2 平行耦合線奇偶模特征阻抗

本文采用羅杰斯5880 Duroid 基板設計濾波器,該基板的相對介電常數(shù)ε為2.22,空氣層的高度為2.46 mm。根據(jù)文獻[11]～[12]可知,羅杰斯5880濾波器的有效介電常數(shù)為:

同樣也可以計算出發(fā)卡諧振器的長度:

式中:為光速;為濾波器中心頻率。

根據(jù)低通原型濾波器參數(shù)表,可以計算出懸置發(fā)卡濾波器之間的耦合系數(shù):

此外,也可計算出懸置發(fā)卡濾波器的外部品質因數(shù)Q 和發(fā)卡線的位置:

式中:為抽頭線的特征阻抗;Z 為諧振器的特征阻抗。

考慮發(fā)卡濾波器的諧振線為U 型結構,假設U型懸置諧振器的底部電長度為10°,那么諧振器的臂長為80°。使用ADS LineCalc軟件可以計算出每個U 型諧振器的線長、線寬和諧振器之間的間距,如表3所示。

表3 發(fā)卡濾波器的設計參數(shù)

2 仿真分析

依據(jù)前面濾波器的設計參數(shù),采用ADS仿真軟件,對設計的懸置型發(fā)卡帶通濾波器進行仿真分析,得出和參數(shù)仿真結果,如圖2所示。

圖2 懸置線濾波器ADS仿真結果

從圖2可以看出,設計的懸置發(fā)卡型濾波器的通帶范圍為2.4～2.503 GHz,在阻帶頻率為2.37 GHz 和 2.55 GHz處的衰減分別是-26.882 d B和-42.953 d B,滿足設計要求。帶通濾波器ADS仿真結果如表4所示。

表4 懸置發(fā)卡型帶通濾波器仿真結果(ADS)

在ADS仿真的基礎上,采用HFSS軟件對該濾波器進行建模,懸置帶狀線發(fā)卡帶通濾波器的模型圖如圖3所示。

圖3 懸置帶狀線發(fā)卡帶通濾波器HFSS模型圖

采用HFSS仿真軟件,對建模的懸置型發(fā)卡帶通濾波器進行了仿真分析,得出和仿真結果,如圖4所示。

圖4 懸置帶狀線濾波器HFSS仿真結果

由圖4的和仿真曲線可以看出,該濾波器的通帶范圍為2.402 3～2.496 6 GHz,在阻帶頻率2.37 GHz和2.55 GHz處,該懸置發(fā)卡濾波器的相對衰減量分別是-25.837 6 dB 和-41.794 3 d B,通帶插入損耗衰減約為-1.0 d B。HFSS仿真結果如表5所示,滿足設計要求。

表5 懸置發(fā)卡型帶通濾波器仿真結果(HFSS)

我們選擇的典型應用場景所需的帶通濾波器具有體積小、插入損耗低、帶外抑制能力強的特點,如果采用平行微帶線和發(fā)卡型微帶線進行設計,帶內插損和帶外抑制均不能滿足使用要求。采用本文提出的懸置帶狀線濾波器的方法,經(jīng)過ADS原理仿真和HFSS建模設計,所有指標均達到設計要求。

3 結束語

本文介紹了發(fā)卡型懸置帶狀線帶通濾波器的基本原理和奇偶模特征阻抗計算方法,提出了窄帶懸置帶狀線濾波器的設計方法。針對Wi-Fi接收機的典型應用場景,設計出了不同板材的懸置帶狀發(fā)卡型帶通濾波器,根據(jù)ADS和HFSS仿真結果表明,懸置帶狀線發(fā)卡濾波器的各種性能指標均優(yōu)于微帶線發(fā)卡濾波器。其中,采用Rogers板材的懸置帶狀線帶通濾波器具有體積小、插入損耗低、帶外抑制性能好等優(yōu)點,該型濾波器可廣泛應用于各種接收機的射頻前端,具有非常好的頻率選擇性。