一種集成濾波器的帶狀線(xiàn)天線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 盧 煒 劉松濤

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所 楊 鍇

本文介紹了一種用于Ku頻段衛(wèi)星通信天線(xiàn)的帶狀線(xiàn)天線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，采用帶阻濾波器抑制了發(fā)射信號(hào)對(duì)接收通道的干擾，濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸可調(diào)整、易于集成。饋電網(wǎng)絡(luò)厚度僅0.6mm，非常適合低剖面天線(xiàn)應(yīng)用需求。

濾波器和功分網(wǎng)絡(luò)是天饋系統(tǒng)中最常用到的兩種功能部件，尤其在陣列天線(xiàn)系統(tǒng)中幾乎必不可少，濾波器作為通信系統(tǒng)中提高收發(fā)信道隔離度的器件尤其重要。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是將濾波器與功分網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立設(shè)計(jì)，通過(guò)連接器、電纜或其他接口形式將兩者相連接，該種設(shè)計(jì)方案在對(duì)天饋系統(tǒng)尺寸要求寬松的情況下適用，但當(dāng)天饋系統(tǒng)要求低剖面時(shí)則并不適用，需要綜合考慮將兩者功能集成化設(shè)計(jì)。

文章介紹了一種可應(yīng)用于衛(wèi)星通信Ku頻段的帶狀線(xiàn)濾波功分網(wǎng)絡(luò)，基于Ku頻段衛(wèi)星通信陣列天線(xiàn)的應(yīng)用，針對(duì)地面產(chǎn)品發(fā)射上行信號(hào)對(duì)下行接收頻段的抑制需求進(jìn)行了研制，可有效地消除上行發(fā)射信號(hào)對(duì)下行接收信號(hào)的干擾，同時(shí)兼顧設(shè)備小型化低剖面的要求，設(shè)計(jì)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(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)中，并通過(guò)微波仿真軟件ADS和HFSS進(jìn)行了驗(yàn)證。該Ku頻段帶狀線(xiàn)濾波功分網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)如下指標(biāo)要求：（1）實(shí)現(xiàn)1分4功能帶狀線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)；（2）通帶頻率（發(fā)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(wǎng)絡(luò)面積尺寸≤65mm×7.5mm，厚度≤1mm。

1 帶狀線(xiàn)濾波器設(shè)計(jì)

相比于微帶線(xiàn)或波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)，基于多層印制板技術(shù)設(shè)計(jì)的帶狀線(xiàn)饋線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有尺寸薄、重量輕等優(yōu)勢(shì)，且?guī)罹€(xiàn)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(wǎng)絡(luò)。考慮到應(yīng)用場(chǎng)景通常需求天線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低剖面、小型化的設(shè)計(jì)要求，采用基于帶狀線(xiàn)的平面電路方案非常適合本設(shè)計(jì)。

平面電路濾波器有幾種經(jīng)典形式，其中平行耦合線(xiàn)濾波器、發(fā)夾濾波器、交指濾波器三種形式的帶通濾波器因制作簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、易集成等特點(diǎn)在平面印制板微帶或帶狀線(xiàn)電路設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于該三種濾波器均是通過(guò)諧振器間的耦合臂相互耦合的形式實(shí)現(xiàn)，而耦合臂的長(zhǎng)度通常為λ0/4（λ0為濾波器中心頻率在傳輸線(xiàn)中的介質(zhì)波長(zhǎng)），其長(zhǎng)短對(duì)濾波器性能影響極大，尺寸不合適則會(huì)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(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)電路集成在一起，因此應(yīng)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(mǎn)足尺寸設(shè)計(jì)要求。

半圓形諧振器由一個(gè)U形半圓環(huán)外加輸入、輸出2個(gè)饋電抽頭組成，設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)選擇合適的印制板材料并建立ADS仿真模型進(jìn)行初步仿真。本設(shè)計(jì)中印制板選用了介電常數(shù)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(xiàn)，考慮到中間半固化黏合片的厚度約0.1mm，整個(gè)帶狀線(xiàn)的厚度約為0.254×2+0.1≈0.6mm。半圓形諧振器的諧振點(diǎn)f0（對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為λ0）主要由半圓環(huán)長(zhǎng)度決定，當(dāng)半圓環(huán)長(zhǎng)度為3/4×λ0，且輸入、輸出抽頭位置分別在距離圓環(huán)兩端λ0/4位置時(shí)，可在頻點(diǎn)f0處產(chǎn)生陷波且陷波外的通帶平坦度良好。

將多個(gè)諧振器級(jí)聯(lián)后即可得到帶阻濾波器，圖1所示的濾波器采用了三級(jí)諧振器組成，圖2為其仿真結(jié)果，此時(shí)通帶頻率平坦，對(duì)要求的阻帶頻率抑制大于28dB。實(shí)際版圖布局時(shí)，可根據(jù)版圖尺寸空間折疊每節(jié)諧振器的U型線(xiàn)，只要保證半圓環(huán)各節(jié)長(zhǎng)度與折疊后長(zhǎng)度基本一致，則濾波器性能不會(huì)有明顯變化。

圖1 利用ADS進(jìn)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(xiàn)濾波饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)應(yīng)用于天線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電網(wǎng)絡(luò)常用形式為T(mén)型節(jié)，通過(guò)3個(gè)T型節(jié)可組成1分4饋電網(wǎng)絡(luò)，在其間穿插帶阻濾波器并依照天線(xiàn)位置合理布局即可組成具有濾波功能的濾波饋電網(wǎng)絡(luò)。前述濾波器阻帶抑制度仿真結(jié)果為28dB，為達(dá)到40dB抑制度要求，應(yīng)增加諧振器數(shù)量或再額外串入一濾波器。

根據(jù)給定面積尺寸及天線(xiàn)接口位置進(jìn)行走線(xiàn)排布，在1分4網(wǎng)絡(luò)的合路及2分路處分別添加一組濾波器，以滿(mǎn)足抑制要求，每節(jié)諧振器的U型線(xiàn)根據(jù)空間尺寸進(jìn)行折疊調(diào)整，并采用計(jì)算更為精確的場(chǎng)仿真軟件HFSS進(jìn)行建模仿真；同時(shí)，為防止加工誤差帶來(lái)的頻帶偏移，設(shè)計(jì)時(shí)將通道向低頻端進(jìn)行了一定的擴(kuò)展。集成了濾波器的1分4饋電網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 利用HFSS進(jìn)行濾波饋電網(wǎng)絡(luò)仿真建模

圖4 濾波饋電網(wǎng)絡(luò)頻率特性仿真圖

仿真結(jié)果顯示，發(fā)射頻段通帶最大損耗為8.6dB（含6dB分配損耗），對(duì)接收頻段抑制度為56.7-8.6=48.1dB，滿(mǎn)足40dB抑制要求，模型尺寸62mm×7.2mm，厚度僅0.6mm，滿(mǎn)足低剖面設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論：本文基于衛(wèi)星通信陣列天線(xiàn)的應(yīng)用，針對(duì)地面產(chǎn)品發(fā)射上行信號(hào)對(duì)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(xiàn)天線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)工作于衛(wèi)星通信Ku頻段，可有效的消除上行發(fā)射信號(hào)對(duì)下行接收信號(hào)的干擾，仿真設(shè)計(jì)值滿(mǎn)足指標(biāo)要求。