基于耦合線加載開路枝節的寬帶帶阻濾波器設計

史春蕾,任禹,于佳鳴,馬振洋,田毅

(中國民航大學安全科學與工程學院,天津 300300)

隨著電子技術的發展,飛機運行的電磁環境日益復雜,機載電子系統、設備的電磁干擾問題對飛機的安全影響已不容忽視[1]。能夠阻隔無用信號的帶阻濾波器是民航通信、導航等航電系統、設備電磁干擾防護較為常用的方法之一。兼容PCB 工藝的小型化帶阻濾波器是目前的研究熱點。

目前國內外關于帶阻濾波器的設計主要采用階梯阻抗諧振器[2-3]、缺陷地[4-5]、耦合線[6-13]等結構。階梯阻抗諧振器可以增強帶阻濾波器的阻帶衰減,但阻帶帶寬較小[2-3]。缺陷地結構能夠有效降低帶阻濾波器的通帶回波損耗,且電路尺寸較小,但阻帶帶寬仍較窄[4-5]。耦合線結構作為帶阻濾波器的主要傳輸機構能夠引入多個傳輸零點,并且通過加載枝節可以拓寬阻帶帶寬,然而電路尺寸較大、阻帶帶內抑制效果較差[6-11]。

本文基于耦合線提出了一種新型的微帶帶阻濾波器結構,在輸入輸出端各引入一對單端接地耦合線,在中間微帶傳輸線上加載三個開路枝節。該濾波器阻帶范圍可控,阻帶內抑制良好,電路尺寸小。實物加工測試結果與仿真結果吻合良好,阻帶中心頻率為2 GHz,20 dB 阻帶帶寬為84.5%(1.24～2.93 GHz),可用于濾除藍牙、WIFI 以及部分通信頻段的電磁干擾。

1 濾波器的傳輸線模型

本文提出的微帶帶阻濾波器由單端接地耦合線加載開路枝節構成。圖1 為帶阻濾波器的等效傳輸線模型,其中Y0o、Y0e和θ1分別表示耦合線的奇偶模導納和電長度,Y2、Y4和θ2、θ4分別表示微帶線的導納和電長度,Y3、θ3分別表示開路枝節的導納和電長度。

圖1 帶阻濾波器等效傳輸線模型Fig.1 Equivalent transmission line model of the bandstop filter

1.1 單端接地耦合線

四端口平行耦合線的基本結構圖如圖2 所示,其輸入導納矩陣可表示為:

圖2 四端口耦合線Fig.2 Four-port coupling lines

式中:Ii(i=1,2,3,4)為耦合線的端口電流;Ui(i=1,2,3,4)為耦合線的端口電壓。

當四端口耦合線2 端口和3 端口開路、4 端口短路時,其電路結構如圖3 所示。此時I2=I3=0,U4=0,將其代入公式(1)中,化簡后可以得出單端接地耦合線輸入導納Yinc:

圖3 單端接地耦合線Fig.3 Coupling lines with single-ended ground

1.2 奇偶模分析

圖1 的微帶帶阻濾波器等效傳輸線模型是對稱結構,可以采用奇偶模分析方法分析其頻域特性。濾波器的奇模等效傳輸線模型和偶模等效傳輸線模型分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 奇模等效電路Fig.4 Odd-mode equivalent circuit

圖5 偶模等效電路Fig.5 Even-mode equivalent circuit

濾波器的奇模輸入導納Yino為:

濾波器的偶模輸入導納Yine為:

則濾波器的奇模和偶模散射參數為:

因此,帶阻濾波器的散射參數可表示為:

對于理想無耗帶阻濾波器,在阻帶內S21=0,即:

在通帶內S11=0,即:

1.3 濾波器特性

當Zinc=0,θ1=90°時,單端接地耦合線將濾波器的輸入和輸出端短路,通過公式(3)可得到兩個傳輸零點:

式中:f0是帶阻濾波器的中心頻率。

當S21衰減3 dB 時,由公式(15)可得到兩個-3 dB頻點:

則帶阻濾波器的阻帶3 dB 相對帶寬FBW 可表示為:

實際濾波器通帶到阻帶的過渡帶衰減斜率slope(dB/GHz)可表示為:

綜上可知,濾波器的阻帶相對帶寬主要由耦合線的奇模和偶模導納決定,微帶傳輸線、開路枝節會影響通帶到阻帶的過渡帶衰減斜率。與此同時,開路枝節與微帶傳輸線的阻抗不匹配會影響濾波器的通帶特性。

2 濾波器的設計優化

本文采用Rogers RO4003C 基片,相對介電常數為3.55,厚度為0.813 mm,根據圖1 傳輸線模型,設計一款緊湊型帶阻濾波器,濾波器的指標為: 阻帶范圍1.2～2.8 GHz,20 dB 衰減的阻帶相對帶寬達到80%以上。

采用四分之一波長設計濾波器,即θ1=θ2=θ3=θ4=90°,令中心頻率為f0=2 GHz,耦合線的導納Y0e=1/122 S,Y0o=1/58 S,開路枝節的導納Y3=1/28 S,微帶傳輸線的導納Y2=1/82 S,Y4=1/92 S,運用上述公式初步計算濾波器的-20 dB 衰減的阻帶相對帶寬約為78%。

在保證阻帶相對帶寬的基礎上,采用HFSS 軟件建立如圖6 所示濾波器結構模型,通過折彎微帶傳輸線和開路枝節令濾波器的結構緊湊,實現小型化。使用ADS 軟件搭建的傳輸線模型(如圖1)與HFSS 軟件建立的結構模型的仿真結果對比如圖7 所示。仿真結果表明,緊湊結構的濾波器相比理想模型,阻帶相對帶寬變大,阻帶帶內特性良好,但通帶特性變差。

圖6 帶阻濾波器結構圖Fig.6 Structure of the bandstop filter

圖7 濾波器的傳輸線模型和結構模型仿真結果Fig.7 Simulation results of transmission line model and physical structure model of the filter

圖8 為帶阻濾波器及其奇偶模的S參數比較,fL和fH分別表示帶阻濾波器3 dB 衰減的低頻點和高頻點。在圖8(a)中,奇模和偶模的低頻點fLo和fLe的均值等于帶阻濾波器的fL,而奇模和偶模的高頻點fHo和fHe的均值與帶阻濾波器的fH存在5%的頻偏。在圖8(b)中,奇模和偶模的低頻點fLo和fLe的均值等于帶阻濾波器的fL,而奇模和偶模的高頻點fHo和fHe的均值與帶阻濾波器的fH存在3%的頻偏。

圖8 帶阻濾波器及其奇偶模的S 參數比較。(a) S11;(b) S21Fig.8 S-parameter comparison of the bandstop filter and its odd-and even-modes.(a) S11;(b) S21

圖9 和圖10 給出了在fL和fH頻點處濾波器的表面場分布。由圖9 可知,fL時濾波器的表面場分布主要集中在單端接地耦合線。由圖10 可看出,fH時濾波器表面場分布主要集中在與中間的開路枝節連接的中間兩根微帶線。

圖9 fL頻點的表面場分布Fig.9 Surface field distribution at fL

圖10 fH頻點的表面場分布Fig.10 Surface field distribution at fH

采用HFSS 軟件仿真分析了耦合線以及中間微帶線的結構尺寸變化對濾波器的S21的影響(如圖11～18),從而進一步優化濾波器尺寸。

圖11 不同L2的S21比較Fig.11 Comparison of S21with different L2

圖12 不同g1的S21比較Fig.12 Comparison of S21 with different g1

圖13 不同W3的S21比較Fig.13 Comparison of S21with different W3

圖14 不同L18的S21比較Fig.14 Comparison of S21 with different L18

圖15 不同L19的S21比較Fig.15 Comparison of S21 with different L19

圖16 不同L20的S21比較Fig.16 Comparison of S21with different L20

圖17 不同L24的S21比較Fig.17 Comparison of S21with different L24

圖18 不同W5的S21比較Fig.18 Comparison of S21with different W5

(1)當微帶線的L20、L24、W5以及耦合線的W3、g1增大時,對阻帶中心頻點沒有影響,阻帶衰減變化幅度較小,但阻帶寬度減小,帶外高頻處插損增大。

(2)當耦合線的L2增大時,阻帶的fL基本不變,fH減小;而當微帶線的L18、L19增大時,阻帶的fL減小,fH基本不變,且當L19增大時,阻帶衰減減小,帶外高頻處插損增大。

3 濾波器的實測與分析

通過HFSS 軟件仿真優化后的帶阻濾波器尺寸如表1 所示。帶阻濾波器加工后的實物圖如圖19 所示,整體尺寸為37.16 mm × 34.48 mm (0.24λg×0.23λg),其中λg是阻帶中心頻率2 GHz 對應的波長。

表1 濾波器的結構參數Tab.1 Structure parameters of the filter mm

圖19 濾波器實物圖Fig.19 Photograph of the filter

采用矢量網絡分析儀N5320 對濾波器進行S參數測試。實測得到帶阻濾波器的阻帶中心頻率為2 GHz,3 dB 衰減帶寬98% (1.19～3.15 GHz),20 dB 衰減帶寬84.5% (1.24～2.93 GHz),阻帶左側通帶到阻帶的過渡帶衰減斜率slopeL=422 dB/GHz (1.19 GHz 衰減為3.16 dB,1.31 GHz 衰減為53.80 dB);阻帶右側阻帶到通帶的過渡帶衰減斜率slopeH=86.91 dB/GHz(3.15 GHz 衰減為2.98 dB,2.6 GHz 衰減為50.78 dB),品質因數為1.02,達到了寬帶帶阻濾波器設計要求。圖20 給出了帶阻濾波器的測試和仿真結果對比,一致性較好。由于加工和SMA 接頭焊接引入的誤差,測試與仿真的fL和fH存在1%的頻偏。

圖20 帶阻濾波器的仿真與測試結果比較Fig.20 Comparison of simulated and measured results of the bandstop filter

表2 為本文帶阻濾波器與其他文獻中帶阻濾波器的性能比較。由表2 可知,本文設計的帶阻濾波器具有阻帶抑制良好、相對帶寬大、結構緊湊等優點。

表2 本文與其他寬帶帶阻濾波器的性能比較Tab.2 Comparison with previous wideband bandstop filters

4 結論

在輸入輸出端引入單端接地耦合線,結合微帶傳輸線上加載開路枝節,設計了一款帶阻濾波器。通過奇偶模理論分析、傳輸線模型和結構模型仿真優化,實現了中心頻率為2 GHz、20 dB 相對帶寬為84.5%的寬帶帶阻濾波器。濾波器的實物加工測試結果與仿真結果頻偏為1%,一致性較好。該款濾波器阻帶特性良好,結構緊湊,可與航電系統設備中板級電路集成,用于電磁干擾防護。