一種基于信號干擾技術的諧波濾波器設計

曹力元,李宏軍,張韶華,王勝福

(中國電子科技集團公司第十三研究所,河北 石家莊 050051)

濾波器是現代無線通信系統的重要組成部分之一,其主要作用是使有用信號通過系統并濾除無用信號,從而達到頻率選擇的目的[1]。隨著計算機的普及,近年來各類微波電路的輔助設計軟件發展迅速,濾波器的設計方式也由各式各樣的軟件仿真代替了原來復雜繁瑣的經驗公式計算和查表[2]。在眾多的濾波器實現形式中,具有微帶線結構的濾波器憑借其體積小、重量輕、易于平面集成等特點被廣泛應用于多種微波電路中。

現代通信系統對濾波器的參數不僅要求通帶內具有低插損、低駐波比等良好性能,還對帶外抑制有一定的要求,如較寬的阻帶以及更高的抑制度等。尤其在微波電路中,一些非線性元器件如混頻器、放大器的輸出端會生成二次、三次諧波等干擾信號,這就要求位于這些元器件后的濾波器具有良好的諧波抑制能力[3-4]。因此對有用信號頻率二倍、三倍頻的抑制也成為了濾波器重要的指標需求之一。一般微帶結構的分布式濾波器由多個諧振單元構成,由于諧振單元具有頻率上的周期重復性,故在倍頻處會產生寄生通帶使得帶外抑制度下降[5]。鑒于此,本文采用橫向信號干擾技術,設計了一款具有寬阻帶特性的諧波濾波器,在保證通帶擁有較低插入損耗的同時,對二次、三次諧波進行了一定程度的抑制。

早在1985 年,美國學者Rauscher[6]便基于信號干擾的原理提出了橫向型濾波器和遞歸型濾波器的概念。由于遞歸型濾波器的計算以及實現十分困難,故大部分基于相位干涉理論制作的濾波器均為橫向型濾波器[7]。Gomez 等[8]于2005 年提出了一種較為典型的雙支路信號干擾濾波器,采用兩段傳輸線并聯的方式構建了兩條信號通路,由該結構組成的濾波器具有寬頻帶特性,并且由于阻帶內存在多個傳輸零點,使得阻帶抑制效果較為理想,但受限于兩路傳輸線結構,導致濾波器的整體尺寸較大;2009 年和2010 年,Sanchez 等[9-10]采用了將傳輸線分別與終端短路、開路耦合線相結合的方式設計了超寬帶帶通、帶阻濾波器。該結構不僅使濾波器整體體積有所減小,并且由于耦合線的引入使得濾波器的可調參數有所增加。

為滿足某濾波器設計項目中對通帶頻率二次諧波、三次諧波的抑制要求,提升濾波器的矩形度,本文利用橫向信號干擾原理,通過濾波單元級聯等方式設計了一款新型濾波器。

1 信號干擾濾波器設計原理

根據近年來的研究可以發現,相位干涉或信號干擾技術在濾波器領域的應用越來越廣,利用該技術所實現的濾波器由于具有較寬的通帶和較低的帶內插入損耗,故常用以實現具有寬帶濾波特性的帶通或帶阻濾波器。其基本原理可大致概括為:通過構建多個信號通路,使信號進行多徑傳輸。對于具有分布參數特性的電路來說,由于不同路徑擁有不同的特征阻抗及電長度,從而使得不同路徑的信號之間存在一定的幅度及相位差。如圖1 所示,通過調節特征阻抗Z1、Z2以及電長度θ1、θ2可以實現在相應的頻率位置處達到信號相互疊加或抵消的效果,從而產生傳輸零極點以實現濾波特性。

圖1 雙路傳輸線式信號干擾單元Fig.1 Dual-transmission linear signal interference unit

通常來說,利用兩個傳輸路徑便可以實現滿足大多數要求的濾波效果,如果采用更多路徑傳輸,不僅理論分析計算困難,而且會使電路尺寸大大增加。因此,本文采用了兩個傳輸路徑的結構方式進行濾波單元的搭建。相位干涉型濾波器與傳統諧振器構成的濾波器相比較,產生傳輸零極點的原理發生了變化。由于不存在諧振單元,故使得電路的設計更加簡潔,結構更加簡單,并打破了傳統Q值定義方式的限制,使得通帶內的信號衰減更小,從而獲得了較為理想的傳輸特性。

2 雙路信號干擾濾波器的設計

對于由兩條傳輸路徑構成的橫向信號干擾濾波器來說,通常采用的電路實現形式有兩種。一種是由兩段微帶傳輸線構成,通過改變兩路的特征阻抗與電長度的比值來調整傳輸零極點以及其他濾波器的濾波特性,其電路形式如圖1 所示;另一種是由傳輸線和耦合線共同構成,濾波原理不變,但相較于均勻阻抗傳輸線來說,平行耦合線擁有更多的可調參數,可在一定程度上增加設計的靈活性,并且使得濾波器的整體體積有所減小,其拓撲結構如圖2 所示。

圖2 傳輸線和耦合線結合式信號干擾單元Fig.2 Transmission line and coupling line binding signal interference unit

本文擬采用傳輸線與耦合線兩種結合的形式設計具有帶阻性質的濾波單元。首先對一耦合線與平行該二端口網絡的S參數進行分析。對于耦合線部分有:

式中:k為耦合線的耦合系數;yc為耦合線的特征導納;和分別為耦合線的奇模導納和偶模導納。整體結構網絡的歸一化Y參數為:

式中:θl和θc分別為均勻阻抗傳輸線和耦合線的電長度。進而可得出網絡S參數表達式為:

從上述關系式中可以看出,通過調整兩條傳輸路徑的電長度、特征阻抗、耦合系數等參數,可以達到調整網絡S參數的效果。例如改變耦合系數k(調節耦合線間距),調節耦合線與傳輸線特征阻抗的比值,可控制阻帶寬度以及零點位置,但與此同時,參數的改變也會同時影響網絡S參數曲線的特性,所以調節時應進行各方面的綜合考慮。比如,在阻帶內存在四個傳輸零點時,調整耦合線與傳輸線特征阻抗的比值大小可以控制內側的兩個對稱零點之間的距離,但在調節時S21曲線也會同時發生變化。因此,在調整至各項參數滿足一定條件的情況下,可以使得帶內實現較好的傳輸特性。以耦合線與傳輸線的特征阻抗之比t為例,在t取不同值時特征曲線也有所不同,見圖3 所示。

圖3 不同阻抗比時的S 參數曲線Fig.3 S-parameter curves at different impedance ratios

根據原理圖2,在二維電路仿真軟件中建立耦合線與均勻阻抗傳輸線并聯電路模型,通過調整模型參數來調整S曲線的特性。以中心頻率為2 GHz,帶寬2 GHz 的帶阻濾波器為例,根據原理公式及板材等計算出微帶線的尺寸參數,在仿真軟件中搭建電路并進行全波仿真,如圖4 所示,可明顯看出其S參數具有周期分布的特性。

圖4 S 參數的期性特征圖Fig.4 Period characterization of S parameters

在三維仿真軟件中建立模型并進行仿真的過程中可以發現,由于存在空間耦合以及其他損耗的影響,S參數特性會在較高頻率處有所惡化,但在低頻段以及阻帶內仍具有較為良好的性能。再結合信號干涉濾波器本身帶寬較寬的特點,可以利用其第一個周期的通帶和阻帶實現具有低通特性的諧波濾波器。

3 級聯式諧波濾波器的設計

現根據指標要求設計一個諧波濾波器,對通帶為1.2～1.3 GHz 信號的二倍頻、三倍頻進行抑制,要求抑制度不小于20 dB,且帶內損耗不大于0.5 dB。擬采用相對介電常數為11 的高工藝精度陶瓷材料作為基板,根據原理圖及頻率要求構建電路,并建立其三維仿真模型。所得三維仿真結果如圖5 所示。

圖5 單濾波單元三維仿真曲線Fig.5 The 3D simulation curves of a single filter unit

從得到的二端口仿真S曲線可以看出,1.2～1.3 GHz 通帶內的插入損耗較小,典型值小于0.1 dB,三倍頻范圍內的抑制度大于35 dB。但二倍頻處仍處在過渡段中,即特征曲線的矩形度不夠。為提高濾波器的矩形度,并提高阻帶的抑制程度,采取將兩個濾波結構形式相同、尺寸相近的濾波單元進行級聯的方式構建濾波器,即以一個雙路信號干擾濾波器為一個單元,將兩個濾波單元進行級聯,其拓撲結構如圖6 所示。

圖6 級聯式濾波器拓撲原理圖Fig.6 Schematic diagram of the cascade filter topology

首先在二維電路仿真軟件中搭建級聯后的電路,通過調整兩個單元的電長度、特征阻抗、耦合強度等來調整濾波器的電性能。如圖7 所示,在進行電路的調諧仿真過程中發現:濾波器的級聯使得通帶的矩形度有所提高,但在將參數代入三維模型中并進行仿真時會發現,由于濾波器的傳輸帶線本身的分布參數特性以及兩單元級聯引入的不連續性,在阻帶內頻率為4 GHz 左右處會產生一處諧振,使得阻帶較高端處的抑制度下降。因此,為緩解諧振帶來的抑制度惡化,擬在主傳輸帶線旁添加一個耦合環,從而在阻帶內生成一處陷波點以提高抑制度。

圖7 級聯式濾波器電路仿真曲線Fig.7 Simulation curves of the cascade filter circuit

濾波器整體三維仿真模型的微帶線結構排布如圖8 所示,將電路級仿真調諧后的尺寸參數作為初值代入三維模型中,并進行進一步的優化。為盡量消除兩個濾波單元之間相互耦合產生的寄生干擾,且避免基板打通孔增加工藝難度提高制作成本,故采用了左右鋪開分布的方式進行布局,但因此也使得濾波器的長度有了一定程度的增加。

圖8 級聯式信號干擾濾波器三維仿真模型Fig.8 3D simulation model of the cascade signal interference filter

耦合環置于干路旁,通過調整環的尺寸以及它和干路微帶線的距離來調整陷波點的位置和深度,以達到更為理想的阻帶抑制效果。

以高精度陶瓷為基板的薄膜工藝精度較高,誤差基本可以控制在2～3 μm。通過對比圖9 中的仿真與實測曲線可知二者差別不大,并且多個成品之間也具有良好的一致性。圖10 為濾波器實物圖。為了模擬產品的實際使用狀態,在濾波器上方安裝了一個金屬帽(如圖10左下方所示),其實際測試結果與裸片并無明顯差別。

圖9 濾波器三維仿真與實測曲線Fig.9 3D simulation and measured curves of the filter

圖10 濾波器實物圖Fig.10 Filter physical diagram

4 結論

利用橫向信號干擾原理,仿真并設計了一款諧波濾波器。在一般的雙路信號干擾式濾波器的基礎上,把兩個雙路單元進行了級聯,并且在電路中添加了耦合環,最終使得濾波器的矩形度和阻帶抑制效果有所提升。在通帶頻率1.2～1.3 GHz 范圍內,插入損耗小于0.4 dB;有用信號的二倍、三倍頻率處抑制度大于20 dB,典型值大于30 dB,濾波器的尺寸為20.4 mm×10 mm×0.381 mm。

實驗采用薄膜工藝,在陶瓷基板上進行了制造。濾波器采取了微帶線的結構形式,從而使其具有體積較小、重量較輕、易于平面集成等特點。此外,由于結構簡單,制作成本較低,所使用的陶瓷工藝精度較高,成品一致性較好,因此更有利于該類產品的批量生產。