微帶發夾式帶通濾波器設計

袁玉先，孫國泉，鐘仙鳳

(1.青島濱海學院實驗中心，山東 青島 266555;2.中國電子科技集團公司第41研究所研發3部，山東 青島 266555)

微帶帶通濾波器具有設計簡單、制作方便、體積小且便于集成等優點，在微帶電路中得到廣泛應用。在各種形式的濾波器中，其中發夾型帶通濾波器，由于具有緊湊的電路結構且帶外抑制高等優點受到EDA工作者喜愛。發夾型諧振器通過適當的半波長耦合拓撲結構實現濾波，其耦合線終端開路，無需過孔接地，從而消除了過地孔引入的加工誤差，這一特點是交指型濾波器所不能比擬的。因此，它具有更好的電性能，在微波平面電路的設計中擁有良好的應用前景。

文中根據微帶濾波器設計的基本原理與諧振器間距的確定方法，利用Ansoft軟件在微帶濾波器設計中的優化仿真功能，介紹了一種發夾型微帶濾波器設計方法和步驟，其設計過程簡單，且效果較好。文中給出了一個X波段(10.6～11.4 GHz)帶通濾波器的設計實例，該濾波器的實測結果理想，已經被應用到一些工程微帶電路設計中。

1 發夾型微帶濾波器的設計方法

1.1 發夾型帶通濾波器

發夾型濾波器是由發夾型諧振器并排排列耦合而成，它是將半波長耦合諧振器折合成“U”字型構成的，其耦合拓撲結構屬于交叉耦合。交叉耦合的最大優點是能在通帶附近的有限頻率處產生傳輸零點，因而濾波器的帶外抑制能力將獲得較大提高［1－3］。

1.2 濾波器各參數初值的確定

發夾型濾波器的信號輸入輸出方式可采用抽頭式和平行耦合方式，文中采用抽頭方式輸入輸出設計。濾波器的性能由濾波器的各參數值確定:發夾諧振器的臂長L，發夾間距S及發夾線寬W和抽頭位置T。其中臂長為L=λ0/(4·。當諧振器線寬w與板厚 h的比值 ＜2時，有效介電常數由 εreff式(1)確定［4－6］

抽頭發夾線諧振器結構采用U字型結構，彎角處采用直角彎角，如圖1所示。

圖1 抽頭發夾線諧振器

X波段U字型諧振器結構中直角彎角的長度計算為0.7倍線寬，抽頭與50 Ω微帶線匹配，相鄰的諧振器間耦合系數一般使用如式(2)所示的通用公式［4－6］計算

式中，i是發夾式諧振器的序號;n是濾波器的階數;FBW=(f2－f1)/f0是相對中心頻率的歸一化帶寬;gi是濾波器低通原型中第i個歸一化元件值。

抽頭式發夾諧振器的抽頭位置可由式(3)確定［5－6］

式中，R是抽頭線的特性阻抗;Z0是發夾式濾波器的特性阻抗;t是抽頭微帶線到發夾式諧振器中間位置的距離;Q=是發夾式諧振器的外部耦合系數。

2 微波濾波器的設計

2.1 已知相關參數

根據實際工程需要設計一個X波段抽頭發夾微帶濾波器，濾波器指標要求如下:中心頻率為11 GHz，通帶頻率10.6～11.4 GHz;帶內波紋≤0.5 dB;帶外抑制為12 GHz時衰減＞50 dB。

2.2 確定濾波器的結構

根據指標要求，選用7階通帶紋波為0.2 dB的Chebyshev 濾波器，查表知低通原型參數為［2，5－6］:g0=g8=1;g1=g7=1.3722;g2=g6=1.3781;g3=g5=2.2756;g4=1.5001。基板材料為介電常數9.9的陶瓷Al2O3，厚度0.254 mm。用式(2)求得耦合系數為:K12=K67=0.066，K23=K56=0.051，K34=K45=0.049。由耦合系數K與發夾間距S的關系在軟件進行仿真求得 S1=0.14 mm，S2=0.40 mm，S3=0.50 mm。用式(3)求得抽頭位置t=0.53 mm;用式(1)求得 L=2.624 mm。

利用Ansoft Serenade軟件建立仿真電路圖，如圖2所示。由以上數據構成濾波器結構參數的初值，初步確定發夾式濾波器的具體尺寸后進行優化。接下來進行電路仿真、優化，優化算法中隨機算法與梯度算法較為常用，一般為兩者交替使用。經優化得到理想的模型電路仿真結果，如圖3所示。

圖2 11 GHz發夾帶通濾波器Serenade電路模型

圖3 Serenade軟件下的濾波器電路仿真曲線

圖3所示，11 GHz處的通帶插損S21約為1.91 dB，輸入端口駐波S11約為－35 dB，10 GHz和12 GHz處的帶外抑制約＜－43 dB。由于電磁場仿真結果與實測結果較接近，因此有必要用Ensemble軟件中進行電磁場仿真，得到濾波器的頻率特性如圖4所示。

圖4所示，此時輸入駐波 S11曲線有所惡化，但10 GHz和12 GHz處帶外抑制則有較大改善。圖5是Serenade軟件導入S2A軟件中形成的結構圖。

將此濾波器加工成微帶片，然后用導電膠H20E粘結到合適的銅腔體上，微帶片兩端通過金帶連接到SMA－KFD31連接器的內導體上，最后利用矢量網絡分析儀測試上述濾波器所得的響應曲線如圖6所示。由圖6可知測試結果與模型仿真結果吻合較好，但插損略大(＜4 dB)，反射損耗均＞10 dB，該濾波器實測結果較理想。

3 結束語

首先依據微帶發夾帶通濾波器的設計原理得出濾波器的各參數初值，再利用Serenade微波電路仿真軟件，完成濾波器各參數值的確定。由于受微帶線加工精度、測試儀器校準誤差帶來的誤差影響，進行實物測試時，濾波器通帶內衰減比仿真時稍大，但這并不影響仿真結果對設計方法正確性的驗證。

圖6 11 GHz發夾帶通濾波器實測曲線

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