微帶線實(shí)現(xiàn)環(huán)形交叉耦合帶通濾波器的設(shè)計(jì)

王 蒙，孫 梅

(泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，山東泰安 271021)

1 引言

微波濾波器是微波工程中重要的微波器件之一，在系統(tǒng)中常以二端口網(wǎng)絡(luò)形式出現(xiàn)，并完成一個(gè)基本的功能:允許通帶內(nèi)頻段的微波信號(hào)傳輸，阻止阻帶頻段微波信號(hào)傳輸.這種頻率的分離和組合，也是大多數(shù)微波系統(tǒng)設(shè)計(jì)的中心問(wèn)題.一般情況下，射頻電路設(shè)計(jì)中濾波器都使用無(wú)源電路來(lái)實(shí)現(xiàn).

隨著數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，激烈的擴(kuò)頻競(jìng)爭(zhēng)迫使人們更加關(guān)注濾波器的性能，特別是通帶內(nèi)的低插入損耗、高篩選性、阻帶陡峭、小型化等優(yōu)良特性.因此在微波頻段濾波器的工藝、材料和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)完善，促進(jìn)了微波系統(tǒng)和微波集成電路的發(fā)展.本論文正是根據(jù)微波濾波器的特性設(shè)計(jì)一種微帶交叉耦合環(huán)形濾波器，要求其小型化、頻段規(guī)則性高、邊緣陡峭，可用于小型化天線系統(tǒng).

2 濾波器設(shè)計(jì)要求及方案

在微波設(shè)計(jì)綜合的過(guò)程中一般分為4個(gè)階段:

(1)給定指標(biāo)要求

對(duì)于一個(gè)二端口濾波器網(wǎng)絡(luò)有:截止頻率、通帶損耗、阻帶邊頻、阻帶衰減以及輸入輸出阻抗等主要技術(shù)指標(biāo).

(2)選定逼近函數(shù)

設(shè)計(jì)濾波器要選定其低通原型濾波器，常用的包括巴特沃斯函數(shù)、切比雪夫函數(shù)、橢圓函數(shù)和高斯多項(xiàng)式，根據(jù)選定的逼近函數(shù)確定諧振腔的數(shù)目.

(3)確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

選定了微波濾波器的類型，通過(guò)計(jì)算或查圖表可得出系統(tǒng)的尺寸、參數(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖或電路圖.

(4)微波仿真實(shí)現(xiàn)

通過(guò)微波設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)得到結(jié)論驗(yàn)證設(shè)計(jì)，根據(jù)結(jié)果驗(yàn)證是否滿足給定指標(biāo)要求，進(jìn)行分析誤差，最后工藝實(shí)現(xiàn).

本論文要設(shè)計(jì)的濾波器主要技術(shù)指標(biāo):濾波器的中心頻率是915MHz，F(xiàn)BW=50%，帶內(nèi)回波損耗為20dB，帶內(nèi)等波紋衰減 Lp=0.1 dB，輸入、輸出的同軸線特性阻抗為50Ω，微帶線介質(zhì)參數(shù)為10.8/1.27，要求阻帶陡度較高.

由上述設(shè)計(jì)指標(biāo)可確定設(shè)計(jì)方法，采用“準(zhǔn)橢圓函數(shù)濾波器”類型，它是橢圓函數(shù)的修正函數(shù)，帶外具有有限傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器可以采用此函數(shù).本論文擬采用高品質(zhì)諧振腔交叉耦合的形式實(shí)現(xiàn)該帶通濾波器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，通帶陡度較高，適合小型化設(shè)計(jì)，性能較高的天線或雷達(dá)雙工器等電路使用.

3 濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程

本論文采用三腔微帶環(huán)形諧振器實(shí)現(xiàn)一個(gè)交叉耦合濾波器.

(1)n腔交叉耦合帶通濾波器等效電路如下圖所示:

取n=3，可得3×3階耦合矩陣M:

(2)修正橢圓函數(shù)

3階橢圓函數(shù)濾波器的低通增益函數(shù)修正為

其中

其中的等波紋系數(shù)也必須進(jìn)行修正:

取ωF導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)，得到(－1，1)內(nèi)各點(diǎn)的最大值α，有

n

(3)元件的微波實(shí)現(xiàn)

利用HFSS軟件設(shè)計(jì)此交叉耦合環(huán)形濾波器，微帶線介質(zhì)參數(shù)為10.8/1.27.腔體為半波長(zhǎng)方腔結(jié)構(gòu)，通過(guò)磁耦合和交叉耦合構(gòu)成，腔間耦合程度通過(guò)腔間距離來(lái)控制，通過(guò)饋線位置、合適的邊界條件以及腔體尺寸距離調(diào)節(jié)，使得濾波器諧振頻率為915MHz左右，滿足設(shè)計(jì)要求.

4 設(shè)計(jì)論證及二次應(yīng)用

(1)設(shè)計(jì)建模

本論文選用Ansoft HFSS軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，選用材料為10.8/1.27的接地板，確定饋線端口和邊界條件，進(jìn)行掃頻求解，圖1為在HFSS中繪制的交叉耦合濾波器，圖2為交叉耦合濾波器的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和腔體尺寸距離..

圖1 三腔環(huán)形交叉耦合濾波器

圖2 濾波器的尺寸結(jié)構(gòu)

(2)仿真結(jié)果

設(shè)置掃頻頻段為0.8～1.05GHz得到濾波器反射系數(shù)和傳遞系數(shù)曲線如圖3所示，由圖可得該濾波器中心頻率為915MHz，帶寬為45MHz頻率范圍，帶外抑制大于20dB，帶內(nèi)等波紋衰減較小，邊緣陡峭，基本滿足設(shè)計(jì)要求.若需要其他指標(biāo)濾波器可以適當(dāng)調(diào)節(jié)耦合環(huán)的位置.

圖3 反射系數(shù)和傳遞函數(shù)曲線圖

(3)濾波器應(yīng)用

本論文設(shè)計(jì)的微波濾波器，具有小型化、頻段選擇性高、邊沿陡峭等特點(diǎn)，適用于小型化雷達(dá)雙工器等，雷達(dá)雙工器是利用兩個(gè)不同中小頻率的帶通濾波器將不同頻段的信號(hào)傳輸給同一傳輸線，并借助于同一副無(wú)線發(fā)射出去，同時(shí)將同一無(wú)線接收來(lái)的不同頻段信號(hào)分開(kāi)，便于檢測(cè).這樣可以改善隔離度，提高雷達(dá)靈敏度和保密度，在雷達(dá)通信系統(tǒng)里應(yīng)用廣泛，如圖4所示.

圖4 射頻接收機(jī)通信模塊

5 結(jié)論

在雙工器、多工器等濾波器組合中，為了改善隔離度，希望濾波器特性的邊沿更陡峭，用交叉耦合形式比較合適，它可以在高低兩端實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)，進(jìn)一步提高帶通濾波器的帶外抑制.本文設(shè)計(jì)了一種小型化交叉耦合濾波器，由3個(gè)高品質(zhì)諧振腔組成，設(shè)計(jì)指標(biāo)中小頻率為915MHz，通帶為45MHz，并采用HFSS軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果說(shuō)明該濾波器與設(shè)計(jì)指標(biāo)基本一致，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可行性高，該射頻帶通濾波器尺寸單位為毫米，材料可為新型陶瓷材料性能滿足邊沿陡峭、小型化、功耗較低等特點(diǎn)，可很好應(yīng)用于毫米波波段工程.

［1］王蒙.切比雪夫低通濾波器型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.泰山學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(3).

［2］趙春暉，張朝柱.微波技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000.

［3］顧繼慧.微波技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［4］雷振亞.射頻微波導(dǎo)論［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

［5］姬五勝，彭清斌.微波濾波器小型化設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009(8).