Ka頻段平行耦合微帶線濾波器的設計與實現

閆書保

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州 510663）

Ka頻段平行耦合微帶線濾波器的設計與實現

閆書保

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州 510663）

0　引言

在微波射頻電路中，濾波器是一種應用非常廣泛的無源器件。它的主要作用是抑制無用信號，只讓有用的信號通過。在微波電路系統中，濾波器的性能對電路的性能指標有很大的影響。濾波器性能的好壞，直接決定了整個射頻鏈路性能的好壞。平行耦合微帶線帶通濾波器具有體積小、帶外抑制好和設計方便等特點而被廣泛地應用于各種射頻通信系統中。

1　基本原理

在射頻鏈路的微帶濾波器中，最常用的就是平行耦合微帶線濾波器。它由平行的耦合微帶線組成，構成一個諧振電路，由于兩個傳輸線之間電磁場的相互作用，在兩個傳輸線之間會產生功率耦合，使得射頻信號通過，阻斷不需要的信號。

從理論上而言，平行耦合微帶線帶通濾波器是由多段四分之一波長耦合線段通過緊密耦合形成的。因此，本文首先分析單個四分之一波長耦合線段的濾波器特性，然后在進一步說明如何利用這些耦合線段來設計一個帶通濾波器。單個平行耦合線段的結構如圖1所示。

圖1　單個平行耦合線段結構

單個平行耦合線段，可以看成一個二端口網絡，具體方法是將四個端口中的兩個在終端看成開路或短路。由于在實際制作中，微帶開路線要比短路線更容易實現，因此，對于帶通濾波器而言，可以將圖1的兩端口網絡中帶箭頭的兩個端口視為開路。這樣，該單個平行偶爾會線段的近似等效電路模型如圖2所示。

該等效電路可以用ABCD矩陣參數來表示，如式（1）。

導納倒相器的ABCD參量可以將它考慮成為特征阻抗是1/J的四分之一波長傳輸線段得到，此時，該等效電路的鏡像阻抗為：

因為傳輸線的長度為四分之一波長，所以θ=90°，通過上面的矩陣參數，可以推導出傳輸線的奇模阻抗和偶模阻抗，分別如式（3）和式（4）所示。

單個平行耦合線段雖然具有帶通濾波器的特性，但是其不具備良好的帶通特性和帶外抑制。因此，要通過多段平行耦合線段單元來構成實用的濾波器。N+1段平行耦合線帶通濾波器結構如圖3所示。

圖2　單個平行偶爾會線段的近似等效電路模型

圖3　N+1段平行耦合微帶線濾波器結構圖

根據奇偶模阻抗的理論，我們可以得到有N+1段平行耦合微帶線濾波器的設計公式如式（5）、式（6）和式（7）所示。

其中，gn代表原型值，這個值可以通過查表來得到。Δ為濾波器的相對帶寬，其表達式如式（8）所示：式（8）中，ω2，ω1和ω0分別為濾波器的上下工作頻率和中心頻率。

2　濾波器的仿真與設計

本文要設計的帶通濾波器，其工作頻率為Ka頻段，帶外對系統本陣的抑制要有-25dB以上。對于該類型的濾波器而言，級聯的級數越多，其帶外抑制效果越好，但是其尺寸也較大。綜合考慮各方面的因素，本濾波器采用7級平行耦合微帶線來實現。

已知了濾波器的工作頻率和級數，就可以確定相關參數。其中，Δ=0.07843。這里的gn采用最平坦低通濾波器原型的元件值。gn值如表1所示。

表1　gn的值

有了gn的值和的值，根據公式（3）、公式（4）、公式（5）、公式（2）和公式（1）就可以求出各級平行耦合微帶線的奇模阻抗和偶模阻抗，其值如表2所示。

表2　各級平行耦合微帶線的奇模阻抗和偶模阻抗的值（單位：歐姆）

濾波器的介質基材采用Rogers5880高頻板，其厚度為0.254mm，相對介電常數為2.2。有了表2的奇模阻抗和偶模阻抗的值，利用ADS工具，可以得到每一段耦合微帶線的長度L、寬度W和間距S，具體的結果如表3所示。

表3　每級微帶耦合線的長度L、寬度W和間距S數值表

依據表3得到的微帶耦合線的具體尺寸，用HFSS建模，7級平行耦合微帶線帶通濾波器的HFSS模型如圖4所示。

圖4　7級平行耦合微帶線帶通濾波器的HFSS模型

在具體的建模時，為了獲得良好的阻抗匹配性能，在平行微帶耦合線濾波器的兩端添加了阻抗變換部分，經過HFSS仿真優化，其仿真結果如圖5所示。

圖5　HFSS仿真結果

從圖5可以看出，該濾波器的回波小于-20dB，差損小于0.3dB。通過HFSS建模仿真可以發現，每一級微帶線的寬度，間距和長度對仿真結果的影響是不同的。當調整第一級微帶線的間距時，不但可以調整回波的好壞，還可以調整濾波器通帶內的波紋。第二級微帶線的間距主要影響濾波器的工作帶寬和帶外抑制。調節微帶線的長度，這個主要影響濾波器的中心頻率，因為根據平行耦合微帶線濾波器的原理，其工作頻率跟其四分之一波長是對應的。當調整微帶線的寬度時，可以對回波進行調整。因此，為了達到較好的仿真效果，在掌握了各種參量對仿真結果的影響之后，主要利用HFSS的優化工具來進行仿真優化。

3　濾波器的實測與分析

將優化后的HFSS模型導出成DXF格式，然后在利用DXP軟件進行PCB繪制。從仿真中來看，微帶線的寬度，間距和長度等變量對仿真結果影響較大，因此在PCB委外加工的時候，一定要向廠家提出較高的加工精度，這樣才能保證加工出來的PCB的質量。為了對該頻段的濾波器進行測試，我們專門加工了用于測試的夾具（微帶波導轉換器），如圖6所示。

圖6　濾波器測試夾具

平行耦合微帶線濾波器的印制板實物如圖7所示。

圖7　印制板實物

采用圖6所示的測試夾具對濾波器進行測試，其回波測試結果如圖8所示，通頻帶特性測試結果如圖9所示。

從測試結果看，該濾波器的回波在-20dB以下，通帶內差損約為6dB，對本陣處的帶外抑制達到-30dB，達到了當初設計的預期目標。對濾波器的實際測試的結果來看，差損比仿真時變差許多，這主要由兩方面造成的，一是測試夾具，它的差損本身較大，約為2dB，一是濾波器印制板的加工精度造成的。

4　結語

本文以HFSS仿真軟件和平行耦合微帶線的基本理論為依據，并利用ADS關于奇模阻抗和偶模阻抗的計算工具，設計了一款應用于Ka頻段的帶通濾波器。利用HFSS軟件進行仿真，大大提高了設計的精度和效率。對該濾波器進行實際測試，其回波小于-20dB，差損約為6dB，帶外對本陣的抑制達到30dB，達到了實用的要求，可用于相關頻段的射頻鏈路中。

圖8　濾波器回波測試結果

圖9　濾波器通頻帶特性測試結果

［1］張肇儀，周樂柱，吳明德等譯.微波工程（第三版）［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［2］張洪福，張振強，馬佳佳.基于ADS的平行耦合微帶線帶通濾波器的設計及優化［J］.電子器件，2010，33（4）：433-437.

［3］Reinhold L.RF circuit design：theory and applications second edition［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry 2010.

［4］鄭冬，王志剛.基于ADS的平行耦合帶通濾波器的設計［J］.電子產品世界，2010，17（10）：22-25

［5］夏祖學．一種EBG微帶濾波器的設計［J］．西南科技大學學報，2006，21（2）：36-40.

［6］徐興福.ADS2008射頻電路設計與仿真實例［M］.北京 電子工業出版社，2009.

Parallel Coupled Microstrip Line Filter；HFSS Simulation；Odd-Even Mode Impedance

Design and Implementation of the Ka Band Parallel Coupled Microstrip Line
Filter

YAN Shu-bao
（Guangzhou Haige Communications Group Limited by Share Ltd，Guangzhou 510663）

1007-1423（2015）22-0062-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.22.016

閆書保（1981-），男，河南南陽人，研究生，從事領域為功放研發工作、衛星通信方面的研發工作

2015-07-25

2015-08-01

平行耦合微帶線濾波器是一種在微波電路中廣泛應用的帶通濾波器。設計一種應用于Ka頻段的平行耦合微帶線濾波器。為了保證濾波器的性能，采用HFSS仿真和奇偶模阻抗原理相結合的方法，仿真結果和實測表明，該濾波器的指標均達到預期要求。

平行耦合微帶線濾波器；HFSS仿真；奇偶模阻抗

The parallel coupled microstrip line filter is a band-pass filter which is one of the most widely used in the microwave circuit.Designs a parallel coupled microstrip line filter that is used in Ka frequency band.In order to ensure the design of the filter performance，this paper uses the method of the HFSS simulation and odd-even mode impedance principle.The simulation and practical test show that the filter performance indexes meet the expected requirements.