一種發夾型微帶帶通濾波器的設計

張磊 姚志會

摘要 依據微帶帶通濾波器設計原理，運用ADS2009軟件構建濾波器的設計參數，并在此軟件平臺中進行建模及初步仿真，選擇關鍵參量進行優化設計，得出了符合指標要求的發夾型帶通濾波器設計模型，并根據該設計模型進行了產品加工及性能測試，性能測試分析表明此發夾型帶通濾波器具有帶內平坦度好、差損小、應用靈活等特點。

【關鍵詞】發夾型 帶通 濾波器設計 模型

濾波器是微波通信領域中許多設計問題的中心，可用它們來分開和組合不同的頻率，如在變頻器、倍頻器以及多路通信中。隨著電子通信行業的迅猛發展，帶通濾波器在通訊、雷達、電子對抗、遙控遙測等眾多領域得到了廣泛應用，尤其是在衛星導航通信領域。

在衛星導航系統中，帶通濾波器是射頻收發系統的核心部件。隨著電子信息技術的發展，電子系統的頻率逐漸向更高的頻率領域擴展，而一般的LC濾波器不能在C波段實現良好特性，微帶濾波器能夠完美契合這一點，同時微帶濾波器還具有帶內平坦度好、差損小、成本低及可靠性強等特點。

對于微帶濾波器一般考慮以下指標：

（1）頻率范圍。即濾波器通過或截斷信號的頻率界限。

（2）通帶衰減。由濾波器殘存的反射以

及濾波器元件本身的損耗產生的。

（3）阻帶衰減（或通帶外衰減）。一般希望盡可能大，并希望在通帶范圍外，衰減值能夠陡峭的上升，一般取通帶外與截至頻率為一定比值的某頻率的衰減值作為此項指標。

（4）帶內平坦度指標。即帶內最大波動與最小波動之間的差值。一般作為衡量帶通濾波器較關鍵的指標。

1 雙端口網絡

在射頻許多領域中濾波器網絡都是重要的基本組建元素，圖1所示為雙端口網絡框圖，微波網絡都是在此模型上進行構建的。

因為在微波電路中，用入射波、反射波的概念更甚于電壓、電流，用反射系數、駐波比的概念更甚于阻抗和導納。因此如果采用某種矩陣形式，其網絡的各個引出端上的量就要和入射波、反射波對應，而其網絡參量則要和反射系數、傳輸系數等微波參數一一對應。

S參數定義為以下幾種。公式列舉如下所示，其主要表示出了微波網絡中最常見的四種主要S參數。

S22、S11主要反映網絡輸入輸出的反射特性，而相應的S21、S12則反映了微波網絡的傳輸特性。而需要定義定量的參數來精確反映器件f系統）的反射特性。反射系數是反射電壓入射信號電壓比值，反射系數為矢量，包含幅度和相位信息，分別反映反射信號與入射信號的幅度比值和相位差。造成反射的根本原因為阻抗不匹配，這個結論通過反射系數的計算公式可以得到直接反映。駐波比是通過傳輸線上信號包絡起伏大小來定義，當全匹配時，傳輸線上只有輸入信號，包絡恒定，駐波比VSWR=1。微帶線在一定的條件下可以直接等效成集中式的電感電容，其轉換方式如下所示，這樣就實現了微帶線與電感電容之間的互相轉換，這也是微帶濾波器的最基本的原理性設計。

2 耦合微帶線

兩個相同參量的微帶線相互隔離S平行排列，即構成了耦合微帶線，圖2所示為耦合微帶線結構及其相對應的耦合微帶線的等效電路。

整個一對微帶線，成了彼此之間具有分布互電容和互電感的分布參數系統，按照耦合微帶線的分布電感電容規則，可以得到耦合微帶線的等效電路。求出了耦合微帶線的四口網絡參量之后，很多單元電路的特性即可求得。實用上除了把耦合微帶線定向耦合器作為四口元件外，一般都把它作為濾波器電路單元。

通過一系列公式推導我們可以讓串聯分支線輸入阻抗己不等于零而開始起作用，是電路的衰減上升，因而電路具有帶通特性。事實上，在其余幾個頻點附近，適當選取0值也可以實現帶通特性。

直角彎折的電流線示意圖如圖3所示，在拐角地區如同有一個并聯電容，路徑的加長如同時兩段短傳輸線或電感，等效電路如圖所示。

實際上常常使拐角不引起反射。為此，可以把拐角削去一塊，如圖4所示，根據不斷的實驗與測試，給出了對應的最佳削角角度。

3 仿真設計

利用Ansoft Desinger V3選取適合的帶通濾波器仿真模型對微帶帶通濾波器進行建模，按照圖5所示進行仿真設計，可以通過改變微帶線的各參數如線寬、耦合線間距進行優化設計。

設置發夾型微帶帶通濾波器中心頻點3.8GHz，帶寬為500MHz，擬采用5階的切比雪夫公式型進行仿真擬合，通過調整微帶線的長度及間距，可以改善帶通濾波器的S21、Sll的指標，最終仿真曲線如圖6所示。

4 性能測試及結果分析

按照Ansoft Designer V3軟件仿真的數據，構建微帶帶通濾波器的參數模型，調整微帶結構的尺寸、參數等以達到濾波器的指標要求，利用Altium Designer軟件進行PCB印制板繪制。選用rogers4350板材，介電常數為3 48，印制板板厚1mm，采用印制板表面不阻焊，表面鍍金工藝加工印制板。

通過電裝焊接射頻SMA-K型號的接頭實現微帶帶通濾波器的整體設計實現，加工兩段射頻同軸測試線用來測試微帶帶通濾波器的指標，實際加工生產出來的發夾型微帶帶通濾波器設計如圖7所示。

經測試得到發夾型微帶帶通濾波器的帶內平坦度、插損及駐波等的測試曲線，曲線如圖8所示。通過圖片可以看出在中心頻點3850MHz處帶寬80MHz的帶內平坦度為±0.5dB左右，中心差損約為0.3 dB左右，駐波為1.2。與Ansoft Designer V3的仿真結果基本上一致，完全能夠滿足導航通信系統指標的要求，整個印制板尺寸為25x40mm。

測試儀器為安捷倫信號分析儀N9340B和頻譜儀，測試電纜為同軸半柔性電纜，基本上對微帶帶通濾波器指標的影響很小。

5 結束語

本文通過利用Ansoft Designer V3軟件仿真設計出一種新型發夾型微帶帶通濾波器，進行實際加工并進行測試得出結論，該帶通濾波器平坦度及雜散等指標較好，能夠滿足衛星導航系統的應用。由于采用微帶結構，能夠很好的實現C波段帶通濾波，降低成本的要求起到了重要的作用。

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