一種集成濾波器的帶狀線天線饋電網絡設計

中國電子科技集團公司第五十四研究所 盧 煒 劉松濤

中國電子科技集團公司第五十五研究所 楊 鍇

本文介紹了一種用于Ku頻段衛星通信天線的帶狀線天線饋電網絡的設計，采用帶阻濾波器抑制了發射信號對接收通道的干擾，濾波器結構簡單、尺寸可調整、易于集成。饋電網絡厚度僅0.6mm，非常適合低剖面天線應用需求。

濾波器和功分網絡是天饋系統中最常用到的兩種功能部件，尤其在陣列天線系統中幾乎必不可少，濾波器作為通信系統中提高收發信道隔離度的器件尤其重要。傳統的設計方案是將濾波器與功分網絡獨立設計，通過連接器、電纜或其他接口形式將兩者相連接，該種設計方案在對天饋系統尺寸要求寬松的情況下適用，但當天饋系統要求低剖面時則并不適用，需要綜合考慮將兩者功能集成化設計。

文章介紹了一種可應用于衛星通信Ku頻段的帶狀線濾波功分網絡，基于Ku頻段衛星通信陣列天線的應用，針對地面產品發射上行信號對下行接收頻段的抑制需求進行了研制，可有效地消除上行發射信號對下行接收信號的干擾，同時兼顧設備小型化低剖面的要求，設計了一種尺寸可靈活排布的濾波器形式，將濾波功能集成于天線饋電網絡中，并通過微波仿真軟件ADS和HFSS進行了驗證。該Ku頻段帶狀線濾波功分網絡可實現如下指標要求：（1）實現1分4功能帶狀線饋電網絡；（2）通帶頻率（發射上行）為13.75GHz～14.5GHz，通帶損耗 ≤ 9dB；（3）阻帶頻率（接收下行）為11.45GHz～12.75GHz，阻帶抑制度 ≥ 40dB；（4）饋電網絡面積尺寸≤65mm×7.5mm，厚度≤1mm。

1 帶狀線濾波器設計

相比于微帶線或波導饋電網絡，基于多層印制板技術設計的帶狀線饋線網絡具有尺寸薄、重量輕等優勢，且帶狀線本身屏蔽性良好、受外界干擾小，非常適用于低剖面小型化要求的天饋網絡。考慮到應用場景通常需求天線饋電網絡實現低剖面、小型化的設計要求，采用基于帶狀線的平面電路方案非常適合本設計。

平面電路濾波器有幾種經典形式，其中平行耦合線濾波器、發夾濾波器、交指濾波器三種形式的帶通濾波器因制作簡單、結構緊湊、易集成等特點在平面印制板微帶或帶狀線電路設計中得到了廣泛的應用。但由于該三種濾波器均是通過諧振器間的耦合臂相互耦合的形式實現，而耦合臂的長度通常為λ0/4（λ0為濾波器中心頻率在傳輸線中的介質波長），其長短對濾波器性能影響極大，尺寸不合適則會引起頻偏或駐波變差，很難與排布緊湊、尺寸局限性較大的天線饋電網絡電路集成在一起，因此應尋求一種不受平行耦合臂限制的形式，而采用半圓形諧振器組成的帶阻濾波器可以滿足尺寸設計要求。

半圓形諧振器由一個U形半圓環外加輸入、輸出2個饋電抽頭組成，設計時首先應選擇合適的印制板材料并建立ADS仿真模型進行初步仿真。本設計中印制板選用了介電常數2.94、厚度0.254mm的TSM-DS3M材料，由2塊0.254mm的印制板壓合組成帶狀線，考慮到中間半固化黏合片的厚度約0.1mm，整個帶狀線的厚度約為0.254×2+0.1≈0.6mm。半圓形諧振器的諧振點f0（對應波長為λ0）主要由半圓環長度決定，當半圓環長度為3/4×λ0，且輸入、輸出抽頭位置分別在距離圓環兩端λ0/4位置時，可在頻點f0處產生陷波且陷波外的通帶平坦度良好。

將多個諧振器級聯后即可得到帶阻濾波器，圖1所示的濾波器采用了三級諧振器組成，圖2為其仿真結果，此時通帶頻率平坦，對要求的阻帶頻率抑制大于28dB。實際版圖布局時，可根據版圖尺寸空間折疊每節諧振器的U型線，只要保證半圓環各節長度與折疊后長度基本一致，則濾波器性能不會有明顯變化。

圖1 利用ADS進行帶阻濾波器仿真建模

圖2 帶阻濾波器頻率特性仿真圖

2 帶狀線濾波饋電網絡設計

本設計應用于天線饋電網絡，饋電網絡常用形式為T型節，通過3個T型節可組成1分4饋電網絡，在其間穿插帶阻濾波器并依照天線位置合理布局即可組成具有濾波功能的濾波饋電網絡。前述濾波器阻帶抑制度仿真結果為28dB，為達到40dB抑制度要求，應增加諧振器數量或再額外串入一濾波器。

根據給定面積尺寸及天線接口位置進行走線排布，在1分4網絡的合路及2分路處分別添加一組濾波器，以滿足抑制要求，每節諧振器的U型線根據空間尺寸進行折疊調整，并采用計算更為精確的場仿真軟件HFSS進行建模仿真；同時，為防止加工誤差帶來的頻帶偏移，設計時將通道向低頻端進行了一定的擴展。集成了濾波器的1分4饋電網絡模型如圖3所示，仿真結果如圖4所示。

圖3 利用HFSS進行濾波饋電網絡仿真建模

圖4 濾波饋電網絡頻率特性仿真圖

仿真結果顯示，發射頻段通帶最大損耗為8.6dB（含6dB分配損耗），對接收頻段抑制度為56.7-8.6=48.1dB，滿足40dB抑制要求，模型尺寸62mm×7.2mm，厚度僅0.6mm，滿足低剖面設計要求。

結論：本文基于衛星通信陣列天線的應用，針對地面產品發射上行信號對下行接收頻段的抑制需求研制了一種集成濾波器的帶狀線天線饋電網絡，該網絡工作于衛星通信Ku頻段，可有效的消除上行發射信號對下行接收信號的干擾，仿真設計值滿足指標要求。