一種毫米波微帶帶通濾波器的設計*

王文才,陳昌明,楊　剛

(成都信息工程學院通信工程學院,成都 610225)

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一種毫米波微帶帶通濾波器的設計*

王文才,陳昌明*,楊剛

(成都信息工程學院通信工程學院,成都 610225)

摘要:基于小反射理論,引入Klopfenstein阻抗漸變線對傳統發夾型諧振器結構進行改進,設計了一種相對帶寬為8%的結構緊湊型毫米波帶通濾波器。采用S參數的多項式綜合方法得到耦合矩陣電路模型,利用三維電磁場全波仿真軟件HFSS擬合出耦合系數與諧振器間距、外部品質因數與抽頭位置的關系曲線,進而提取出耦合矩陣對應濾波器的物理尺寸。實測結果表明:在28.8 GHz～31.2 GHz頻帶內,該濾波器的插損小于3.0 dB,回波優于-17 dB,帶外抑制大于40 dB@33 GHz,測試結果與計算結果吻合較好。

關鍵詞:濾波器;發夾諧振器;耦合矩陣;外部品質因數

發夾式微帶帶通濾波器由于其微帶線終端開路無需過孔接地,且具有結構緊湊,易于集成等優點,廣泛應用于各種微波通訊電路中。通常的發夾式濾波器結構[1-2]當應用在微波高頻端,特別是毫米波波段時,受諧振器U型彎頭寄生電抗和邊緣耦合加載作用的影響往往需要對耦合器的長度進行反復實驗、調整和修正[2],且為了減小由抽頭線阻抗變換不連續造成的信號反射和損耗,對加工工藝要求高。本文采用一種改進型的發夾諧振器結構,很好地補償了微帶不連續造成的信號損耗和耦合加載對電路精確設計的影響,且該改進型結構簡單,易于實現,設計出的毫米波濾波器性能良好。

1　濾波器設計的基本原理

1.1改進型發夾式濾波器的設計理論

傳統抽頭線諧振器結構的示意圖如1(a)所示。為了實現端口阻抗與諧振器內阻之間最短和最優的阻抗匹配,從而減小反射和損耗,根據小反射理論,引入Klopfenstein阻抗漸變線對傳統抽頭線諧振器結構進行改進[3],如圖1(b)所示。

Klopfenstein漸變特征阻抗變化的自然對數為[3-4]:

0≤z≤L

(1)

圖1　改進前后抽頭發夾諧振器結構

圖2給出一組滿足Klopfenstein漸變線通帶要求的HFSS仿真結果。由圖可知:抽頭與50Ω微帶線間引入Klopfenstein阻抗漸變線對減小諧振器內外阻抗不連續造成的信號反射和損耗有顯著作用。

圖2　改進前后抽頭線S11仿真結果

1.2濾波器幾何參數提取

決定濾波器性能的耦合電路模型參數主要有:諧振頻率,耦合系數以及外部Q值;與之相對應的濾波器結構尺寸主要包括:發夾臂長L1和線寬W、發夾間距S和I/O端口抽頭位置q。運用耦合矩陣濾波器電路模型和電磁仿真器可以提取濾波器物理尺寸。

采用切比雪夫濾波器低通原型,由濾波器設計要求可得濾波器階數N及低通原型的歸一化數值:g0,g1,g2,…,gN+1。利用有效遞歸技術可以推導出這類濾波器的傳輸和反射多項式[5],綜合出諧振器串聯拓撲結構的N×N耦合矩陣CM(CouplingMatrix)[5-6]為:

(2)

其中 Mj,j+1表示相鄰諧振器間歸一化的耦合元件值,且Mij=Mji;R1和Rn為歸一化輸入輸出耦合的電抗參數。

(3)

諧振器間的耦合系數Kij和輸入輸出耦合Qe可由耦合矩陣元件值Mij以及電抗參數R1和Rn推導出:

(4)

(5)

BW為帶通濾波器的設計帶寬。

建立圖1(b)示改進型諧振器模型,利用Eigenmode求解器設計發夾臂長L1、線寬W以及平行雙臂間的間距a使其諧振在帶通濾波器的中心頻率處。L1約為:

(6)

式中:λ0是濾波器中心頻率的自由空間傳播波長;λg是濾波器實際波長;有效介電常數εre可表示為:

(7)

其中,εre是基片的相對介電常數,h是基片厚度,w是微帶線寬。

利用參數提取技術,建立2個反向平行排列、間距為S的上述諧振器模型。在HFSS中用Eigenmode求解器的雙模分析法提取2個模頻率:fp1和fp2,使它們關于濾波器的中心頻率f0對稱,則兩諧振器間耦合系數K可由式(8)計算得出[7],且隨發夾諧振器間間距S的改變而變化。

(8)

文獻[2]中提到通過I/O端口諧振器S11的相位偏移±90°對應帶寬計算外部品質因數的方法,由于存在EM仿真與等效電路的參考面不能很好地匹配而引起額外的相位偏移,造成提取的Qe不夠準確。發夾濾波器外部品質因數可以通過計算輸入輸出諧振器的反射系數S11在ω0處的群時延分析得到[8-9]。

(9)

其中,τmax是輸入端反射系數S11對應的最大群時延值。

2　設計實例

根據實際工程需要設計并制造一個相對帶寬為8%的毫米波微帶帶通濾波器,其主要指標為:中心頻率為30GHz,通帶帶寬為2.4GHz,帶內插損小于3dB,帶外抑制大于40dB@33GHz,輸入輸出端口均為50Ω的微帶線。選用Rogers公司的Duriod5880介質基片制作電路,其相對介電常數εr=2.22,基片厚度d=0.254mm。

根據濾波器設計指標,選用5階通帶紋波為0.01dB的Chebyshev濾波器低通原型,其歸一化數值為:g1=g5=0.756 3;g2=g4=1.304 9;g3=1.577 3;g0=g6=1.0;綜合出耦合矩陣為:

(10)

且R1=1.322 2;Rn=1.322 2;由式(4)、式(5)計算出相鄰諧振器間的耦合系數和外部品質因數:Qe1=Qen=11.34;K1,2=K4,5=0.067;K2,3=K3,4=0.046。

至此,已求得設計該濾波器所需的全部耦合矩陣電路模型值,然后利用參數提取技術將其轉換成濾波器的結構尺寸。首先設計如圖1(b)所示改進型發夾諧振器單元,使其諧振在帶通濾波器的中心頻率f0(30GHz)處。得到發夾臂長L1=1.6mm,線寬W=0.4mm,雙臂間距a=0.3mm,削角長度b的常用值選1.8W。

然后建立2個反向平行排列的上述諧振器模型,調整相鄰諧振器間距得到耦合系數隨之變化的曲線,如圖3所示,從圖中直接讀出耦合系數的計算值0.067,0.046對應的耦合間距S為:S1,2=0.3mm,S2,3=0.4mm。可見,耦合系數在一定范圍內隨著諧振器間距的增大而減小,這與實際情況相符。

圖3　耦合系數與耦合間距的關系曲線

由式(9)間接得到外部品質因數與不同抽頭位置的關系曲線如圖4所示,由圖4可知:外部品質因數的計算值Qe1=Qen=11.34對應抽頭的位置q=-0.3 mm。

圖4　外部品質因數與抽頭位置的關系曲線

通過以上分析,確定濾波器模型各結構尺寸的初值,以此為基礎在美國Ansoft公司的HFSS13.0中對濾波器的整體模型進行三維電磁場分析,精心設計優化后得到濾波器的最終實物圖如圖5所示,其電路尺寸為14.6 mm×5.8 mm。

圖5　濾波器實物圖

利用安捷倫公司的N5244A矢量網絡分析儀測試,最后得到仿真結果及實測結果如圖6所示。

圖6　濾波器結果對比圖

由圖6知整個發夾濾波器的插損略為2.7 dB且矩形系數較好。在27 GHz～33 GHz頻段內濾波器的實測結果與仿真結果吻合較好,但存在一定的頻偏,其主要原因有:加工誤差,由于電路工作在毫米波波段,微帶電路對加工精度要求比較高;其次非相鄰諧振器間互耦合的影響;最后是測試誤差。

3　結論

本文提出了一種對抽頭線發夾濾波器結構進行改進和優化的方法,基于此設計了一種結構緊湊的毫米波微帶發夾式濾波器。實測結果表明,該改進型濾波器具有結構簡單緊湊、插損小、矩形系數好、易于加工制作等優點,且是平面結構,無需引入轉換器,在微波通信中具有較好的應用前景。對設計同種類型乃至其他結構的濾波器有一定借鑒意義。

參考文獻:

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[7]Hong Jiasheng.Couplings of Asynchronously Tuned Coupled Microwave Resonators[J].IEEE Proc Microw Antennas Propag,2000,147(5):354-358.

[8]Richard J Cameron,Chandra M Kudsia,Raafat R Mansour.Microwave Filters for Communication Systems:Fundamentals,Design and Applications[M].New York:Wiley,2007:333-341.

[9]Hong Jiasheng,Lancaster M J.Microstrip Filters for RF/Microwave Applications[M].NEW YORK:John Wiley and Sons,Inc,2013:276-288.

[10]李明洋,劉敏.HFSS電磁仿真設計從入門到精通[M].北京:人民郵電出版社,2013:124-137.

王文才(1987-),男,漢族,甘肅天水人,成都信息工程學院通信工程學院,碩士研究生,主要研究方向為微波射頻電路與系統,haocaiww@163.com;

陳昌明(1971-),男,漢族,四川安縣人,成都信息工程學院通信工程學院,副教授,碩士生導師,主要研究方向為射頻、微波毫米波電路與系統;

楊剛(1988-),男,漢族,四川南充人,成都信息工程學院通信工程學院,碩士研究生,主要研究方向為微波電路設計。

DesignofMillimeter-WaveMicrostripBandpassFilter*

WANGWencai,CHENChangming*,YANGGang

(School of Communication Engineering,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China)

Abstract:A millimeter-wave microstrip bandpass filter of a 8% fraction bandwidth is presented here.It is developed from the traditional hairpin resonator structure with introducing the Klopfenstein impedance taper which is based on the theory of small reflection.First,coupling matrix model is derived with synthesis methods of Chebyshev transfer and reflection polynomials.Then the curve of coupling coefficient versus coupling spacing and the curve of external quality factor versus tap location are calculated and plotted with HFSS.Finally,the physical dimensions of the corresponding filter can be extracted from the results above.The test result shows that the insertion loss is less than 3 dB and the return loss is better than -17dB in the frequencies of 28.8 GHz to 31.2 GHz,besides the out-of-band rejection level is larger than 40 dB at the frequency of 33 GHz.The result matches with the simulations very well.

Key words:filter;hairpin resonator;coupling matrix;external quality factor

doi:EEACC:127010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.012

中圖分類號:TN713

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0855-04

收稿日期:2013-10-29修改日期:2013-11-15

項目來源:四川省教育廳重點項目(13ZA0087)