一種新型超寬帶濾波器的設計

王勝福，張韶華，李宏軍

（中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051）

0 引言

微波濾波器在通信、信息對抗、遙控制導和探測等領域廣泛的應用，由于其屬于關鍵器件，歷來受到人們的廣泛重視，成為研究的重點。而信息系統的寬帶化和小型化的發展趨勢，對工程設計人員提出了更高的要求[1]。

傳統的超寬帶帶通濾波設計方法，是將一個高通濾波器和一個低通濾波串聯起來，達到寬帶帶通濾波器的效果，但任然是兩個濾波器，具有體積大，抑制度低，通帶性能差，調試復雜等缺點[2]。為解決以上問題，并制作出高性能的超寬帶帶通濾波器，本文利用Designer 軟件設計出拓撲電路，計算出濾波器每個元器件值，利用HFSS 建模，分別計算出每個單元元件的具體尺寸，整體模型在matlab 編輯的耦合矩陣軟件的診斷下快速優化，制作出免調試、高矩形度、低插損的超寬帶帶通濾波，其體積小，實用性強。

1 電路設計

本文設計的超寬帶帶通濾波器，具體技術要求如下：

工作頻段：4.5-9 GHz；

通帶插損：≤0.5 dB；

抑制：≥40 dBc@1.15 GHz；

駐波比 ：≤1.5 ∶ 1。

1.1 電路原理

為容易實現超寬帶帶通濾波的設計和優化，以及從集總參數到分布的轉換參數的轉換，本文選取“管狀”形式的拓撲電路，優點是元件數少，結構簡單，容易實現。通過Designer 軟件搭建電路模型，如圖1所示。對電路進行優化仿真，仿真結果如圖2所示，得到各個元件值如表1所示。

圖1 帶通濾波器拓撲電路

圖2 帶通濾波器仿真結果

表1 元件值

1.2 元件尺寸

本文選取6002羅杰斯板材，厚度20 mil，其介電常數2.94，空氣腔高度1 mm，腔的寬度為7 mm，導線最窄部分選擇0.3 mm，導線最寬部分選擇3.5 mm。通過HFSS 軟件進行三維建模，如圖3所示，可以通過三維仿真精確計算出導線的阻抗Z0以及相位常數β，如圖4、圖5所示。

圖3 導線HFSS模型

圖4 HFSS仿真阻抗值

圖5 HFSS計算相位常數

通過三維仿真可以得到0.3 mm 和3.5 mm 寬度線條阻抗和相位常數，就可以通過公式：

式中，Pi導線長；β 相位常數；Li電感量；Z1阻抗值。計算出相應電感線的長度：如表2所示

表2 電感量與導線長的對應關系

同理可以使用公式：

式中，Pi導線長；β 相位常數；Ci電感量；Y0導納值[3-6]。

式中，gi電容重疊部分長度；Cn電容值；W 導線寬度；εr介電常數。計算出串聯電容和并聯電容值對應的結構關系[7]，如表3所示。

表3 電容值與導線長的對應關系

2 結構實現及仿真優化

根據上述拓撲電路計算結果和HFSS 仿真出來的元件尺寸，很容易進行濾波器三維建模，如圖6所示，加激勵端口，進行全模仿真。

圖6 HFSS建模仿真

由于單個諧振仿真與全模仿真存在差異，所以在仿真結果不到位，主要是由于非相鄰諧振之間的空間耦合以及其他空間效應影響所致[8]。所以要對初始模型進行進一步的優化仿真，本文使用matlab 軟件邊界的耦合矩陣診斷軟件對仿真的初值進行診斷，并進行下一步優化，如圖7、表4所示。

圖7 matlab診斷曲線擬合

根據矩陣的診斷，以及與標準值的對比，可以很快得出優化仿真的差值，只需3次迭代，仿真就可到位，能夠有效提升仿真效率，如圖8所示。

3 實物及測試結果

通過以上三維模型的精確仿真，確定濾波器的最終尺寸為45 mm×16 mm×10 mm，實物如圖9所示，調試后測試指標均優于要求值（實測值：43 dBc@1.15 GHz，插損：0.41 dB（4.5 GHz-9 GHz），仿真值（插損：0.37 dB）基本擬合，完全滿足使用要求。

圖9 實物圖

圖10 實測曲線

該產品實測與仿真相能夠擬合，同時具備以下特點：電路拓撲綜合速度快；計算出的初始值搭建的三維模型性能基本到位；耦合矩陣診斷仿真優化速度快；免調試設計；整個設計過程簡單，可靠性高，適合批量生產[9]。

4 結束語

文創新的在羅杰斯版上應用管狀電路，精確控制諧振枝節間容值，實現了一款超寬帶帶通濾波器，該濾波器相對帶寬超過67%，且具有較高的矩形度，制作簡單，具備具有較大的應用價值，適合推廣。