X波段發夾型帶通濾波器設計

黃應千，胡天濤

（貴州航天計量測試技術研究所，貴州 貴陽550009）

微波濾波器作為一種重要的選頻器件，已經應用在任何類型的微波通信、雷達測試或者是測量系統中［1］。目前常用的微波濾波器結構有：平行耦合線結構；交指型結構；梳狀線結構；發夾型結構等［2］。發夾型濾波器耦合線終端開路，無需過孔接地，減小了誤差，而且具有高帶外抑制性能。

本文根據濾波器設計基本原理，通過ADS軟件仿真、優化，設計了通帶為X波段（10.8 GHz～12 GHz）的微帶發夾型濾波器，介紹了微帶濾波器的設計方法。

1 濾波器設計原理

發夾型濾波器通過半波長的u型諧振單元排列而成，每個諧振器臂長約為1／4波長，采用抽頭線的饋電方式［3］。發夾型濾波器的性能主要由諧振器臂長、諧振單元間距、線寬和抽頭位置來決定［4］。

1.1 濾波器參數計算

濾波器設計指標：通帶為10.8 GHz～12 GHz，在8 GHz處 衰 減 大 于60 dB，13.5 GHz處 衰 減 大 于45 dB，基板選用Rogers R04350。

濾波器參數計算流程如圖1所示。

圖1 濾波器參數計算流程

1.2 計算步驟

濾波器中心頻率為11.4 GHz，帶寬為1.2 GHz。相對帶寬δ＝1.2／11.4＝10.5%。濾波器在8 GHz處的衰減大于60 dB。

8 GHz歸一化以后的低通形式為

13.5 GHz歸一化以后的低通形式為

根據歸一化后的低通形式和衰減值查表確定濾波器階數，根據階數確定濾波器元件值。

耦合傳輸線奇模偶模和奇模線阻抗為

其中倒相器常數ZJn計算公式為：

式中，N 為濾波器階數；g1、g2、…、gN＋1為濾波器元件值。

2 發夾型濾波器設計

2.1 設計指標

濾波器通帶為10.8 GHz～12 GHz，在8 GHz處衰減大于60 dB，13.5 GHz處相對衰減大于45 dB?；暹x用 Rogers R04350，板厚為0.254 mm，介電常數為3.48。

2.2 濾波器結構

根據指標，以及通過查表確定了7階等紋波元件值。g1＝g7＝1.7372，g2＝g6＝1.2583，g3＝g5＝2.6381，g4＝1.3444，g8＝1。

根據公式（3）～（7）計算出耦合傳輸線偶模阻抗以及奇模阻抗，通過ADS軟件中LineCalc工具，可以計算出各耦合傳輸線線長l、線寬w、間距s。由于在計算過程中存在一定誤差，往往導致仿真結果和理論上存在誤差。在對常數變量化以后，ADS具有優化仿真功能，使仿真結果更加理想。

根據以上分析，在ADS中建立了原理圖，如圖2所示。

通過計算和ADS優化仿真，確定了發夾型濾波器諧振單元臂長、線寬、間距以及抽頭位置。原理圖中：l＝3 mm、l1＝0.87 mm、l2＝1.1 mm、l3＝1.1 mm、l4＝1.1 mm、s1＝0.1 mm、s2＝0.2 mm、s3＝0.22 mm，抽頭位置為0.25 mm。

2.3 版圖仿真

通過原理圖優化仿真后，生成版圖，進行了版圖仿真，發夾型濾波器版圖如圖3所示。

圖2 7階發夾型濾波器原理圖

圖3 發夾型濾波器版圖

生成版圖后進行了版圖仿真，仿真結果如圖4。根據仿真結果可以得出，濾波器中心頻率基本為11.4 GHz，帶寬為1.2 GHz，在8 GHz處插入損耗為－60 dB，在13.5 GHz處插入損耗為－56 dB。

圖4 發夾型濾波器版圖仿真結果

3 發夾型濾波器實物測試

實物圖如圖5所示。

使用矢量網絡分析儀進行了測試，得到S21測試曲線。根據仿真結果可以得出，濾波器中心頻率基本為11.4 GHz，帶寬為1.2 GHz，在8 GHz處插入損耗為－72 dB，在13.5 GHz處插入損耗為－50 dB。圖6為仿真值和實測值對比，兩者在中心頻率、帶寬基本一致。

圖5 發夾型濾波器實物圖

圖6 發夾型濾波器測試結果

4 結束語

ADS原理圖優化仿真和版圖仿真可以較為便捷地應用在濾波器仿真設計中，設計時通過原理圖仿真達到甚至優于指標要求后，進行版圖仿真。ADS版圖仿真結果與實測結果基本一致。此外ADS仿真速度相對較快，縮短了設計周期，提高了效率。