一種懸置帶狀線帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法

王昕宇 王長虹

(1.新南威爾士大學(xué),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(shù)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(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)難度,本文主要研究懸置帶狀線帶通濾波器的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)緊湊、易于制造等優(yōu)點(diǎn),能夠在通帶附近有限頻率處產(chǎn)生傳輸零點(diǎn),因而濾波器的帶外抑制能力獲得極大提高。文獻(xiàn)[3]～[4]采用高低通濾波器級聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)了2～18 GHz超寬帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法;文獻(xiàn)[5]～[6]介紹了4～8 GHz超寬帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)思路和測試結(jié)果;文獻(xiàn)[7]介紹了2～4 GHz超寬帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法,并利用ADS軟件對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化。上述文獻(xiàn)均介紹了超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)和仿真,并對濾波器的帶內(nèi)插損和帶外抑制提出了較高的要求。

1 濾波器設(shè)計(jì)

1.1 問題提出

本文考慮手機(jī)接收Wi-Fi信號(hào)的典型應(yīng)用場景,3個(gè)干擾信號(hào)基站之間的距離各為1 km,每個(gè)干擾信號(hào)的發(fā)射功率均為20 W;路由器和手機(jī)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(hào)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(hào)工作頻率為2.37 GHz和2.55 GHz,手機(jī)接收Wi-Fi信號(hào)場景如圖1所示。

圖1 手機(jī)接收Wi-Fi信號(hào)場景圖

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

通過計(jì)算手機(jī)接收端口的通信信號(hào)和干擾信號(hào)功率,為了保證手機(jī)能夠可靠接收語音信號(hào)和圖像信息,接收機(jī)輸入端口的帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2 帶通濾波器設(shè)計(jì)

根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)可以先從設(shè)計(jì)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(jì)算,滿足表1指標(biāo)的帶通濾波器為5階濾波器。

表1 微波帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)

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(jì)算發(fā)卡線的奇偶模特征阻抗時(shí)完全可以應(yīng)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(xiàn)[8]～[10]可知,奇模和偶模的特征阻抗表達(dá)式為:

式中:為傳輸線特性導(dǎo)納;為導(dǎo)納倒置器的特性導(dǎo)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(jié)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(shè)計(jì)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(xiàn)[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(jì)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(jì)算出懸置發(fā)卡濾波器之間的耦合系數(shù):

此外,也可計(jì)算出懸置發(fā)卡濾波器的外部品質(zhì)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(jié)構(gòu),假設(shè)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(jì)算出每個(gè)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(shè)計(jì)參數(shù)

2 仿真分析

依據(jù)前面濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù),采用ADS仿真軟件,對設(shè)計(jì)的懸置型發(fā)卡帶通濾波器進(jìn)行仿真分析,得出和參數(shù)仿真結(jié)果,如圖2所示。

圖2 懸置線濾波器ADS仿真結(jié)果

從圖2可以看出,設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求。帶通濾波器ADS仿真結(jié)果如表4所示。

表4 懸置發(fā)卡型帶通濾波器仿真結(jié)果(ADS)

在ADS仿真的基礎(chǔ)上,采用HFSS軟件對該濾波器進(jìn)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(jìn)行了仿真分析,得出和仿真結(jié)果,如圖4所示。

圖4 懸置帶狀線濾波器HFSS仿真結(jié)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(jié)果如表5所示,滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 懸置發(fā)卡型帶通濾波器仿真結(jié)果(HFSS)

我們選擇的典型應(yīng)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(qiáng)的特點(diǎn),如果采用平行微帶線和發(fā)卡型微帶線進(jìn)行設(shè)計(jì),帶內(nèi)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(shè)計(jì),所有指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)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(jì)算方法,提出了窄帶懸置帶狀線濾波器的設(shè)計(jì)方法。針對Wi-Fi接收機(jī)的典型應(yīng)用場景,設(shè)計(jì)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(jié)果表明,懸置帶狀線發(fā)卡濾波器的各種性能指標(biāo)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(diǎn),該型濾波器可廣泛應(yīng)用于各種接收機(jī)的射頻前端,具有非常好的頻率選擇性。