鐵路機車電臺設備電磁發射測量專用帶阻濾波器設計

曹玉峰，肖建軍

鐵路無線通信設備發射的信號往往強于電磁騷擾信號，故在其電磁發射測量過程中，設備的發射功率通常大于測量接收機可接收的最大輸入功率，導致接收機內非線性元件不能正常工作，甚至損壞接收機［1］。因此在測量時往往選擇帶阻濾波器濾除無線設備發射的基波信號［2］，從而對接收機內非線性元器件因非線性效應產生的交調失真起到抑制作用，同時限制諧波分量進入接收機內非線性元件［3］，有效解決了接收機接收大功率發射信號時，測量結果不準確和非線性失真的問題，有助于提高無線通信設備電磁發射測量的準確性。

目前國內外對于窄帶帶阻濾波器已經有了一定的研究。KIM B 等［4］設計了一款可調節中心頻率的帶阻濾波器，通過CMOS 的加工技術，加入可以調節品質因素的諧振器，從而控制濾波器的工作頻率。何志權［5］設計了一種可在高頻段實現窄帶濾波的帶阻濾波器，其濾波器采用平行耦合結構。馬蔚［6］通過對濾波器的諧振桿進行開槽處理，設計了一款寄生阻帶約為中心頻率5 倍位置處的帶阻濾波器，其濾波器腔體采用可調階躍阻抗諧振器（Stepped Impedance Resonator，SIR）結構，減小了帶阻濾波器的體積。

本文以鐵路機車電臺設備電磁發射測量中的專用帶阻濾波器為研究對象，設計并研制出一款新型可調SIR腔體窄帶帶阻濾波器。

1 設計原理

1.1 帶阻濾波器設計原理分析

為了測量出無線通信設備的最大電磁騷擾值，需要將受試設備（Equipment Under Test，EUT）工作在最大發射功率。450MHz 無線列調機車電臺設備的發射功率一般為37 dBm 左右，而測量接收機最大僅能承受26～30 dBm 的輸入功率，這就使得接收機非線性元器件放大器、混頻器等達到飽和狀態，導致測量接收機非線性失真［7］。為避免此問題的發生，測量時先將帶阻濾波器加在測量接收機前端，帶阻濾波器的阻帶范圍即為無線設備發射的基波信號頻率范圍，從而大幅衰減基波信號，而電磁騷擾信號在濾波器的通帶范圍內幾乎無衰減通過［8］。450 MHz無線列調機車電臺設備電磁輻射發射測量布置見圖1。

圖1 450 MHz無線列調機車電臺設備輻射發射測量布置

對車載電臺此類小型設備的電磁發射一般采用3 m 法測量，接收天線與受試設備水平相距3 m，在垂直距離1～4 m的范圍內步進掃描。圖1中綜測儀用于與EUT 建立通信連接，相互收發信號，使450 MHz機車電臺能夠在正常調度的通信狀態下進行測量［9］。

1.2 帶阻濾波器設計參數分析

1.2.1 帶阻濾波器的帶寬和中心頻率

450 MHz 無線列調機車電臺工作在457.45～458.35 MHz和467.5～468.3 MHz頻率范圍內，其信號發射功率為37 dBm［10?11］，會引起測量接收機內非線性元件產生失真現象，對30 MHz～1 GHz頻率范圍內的電磁發射測量產生影響。因此，對450 MHz無線列調機車電臺設備電磁發射測量選取頻段為30 MHz～1 GHz。根據帶阻濾波器的工作原理可知，電磁發射測量中濾波器的作用是抑制無線設備發射的基波信號，所以受試設備的工作帶寬則為帶阻濾波器的阻帶帶寬，即457.45～458.35 MHz和467.5～468.3 MHz；中心頻率由阻帶的起始頻率和終止頻率取算術平均值得到，即為457.9 MHz和467.9 MHz；通帶帶寬取除阻帶以外的測量頻段［12?13］。

1.2.2 帶阻濾波器的阻帶抑制深度和通帶插入損耗

通常以阻帶的抑制深度來衡量濾波器的性能［14］，阻帶抑制深度表征為濾波器在中心頻率處的抑制度，阻帶抑制深度越高，則說明濾波器對帶外干擾信號的抑制越好。一般定義為中心頻率點處的衰減值應大于等于24 dB。當所測信號同時存在較大信號和較小信號時，接收機內非線性元器件產生的諧波分量就會影響較小信號的測量。為保證接收機測量結果準確，應限制接收機端口的輸入功率，使其低于10 dBm。為此，首先要確定接收機接收到的功率，然后用該值減去阻帶抑制深度，所得的值小于10 dBm即可。

在仿真軟件中搭建電磁發射3 m 法測量的場地模型，見圖2，測量頻段為30 MHz～1 GHz，所得到的水平相距3 m，與地面垂直相距1～4 m 高度處的場強值見圖3。

圖2 30 MHz～1 GHz頻段的電磁發射測量場地仿真模型

圖3 機車電臺在不同頻段的天線發射場強值

由圖3中的仿真結果可知，在測試過程中，接收天線端接收到的最大電場強度分別為140.54dBμV/m和140.465dBμV/m。接收天線處的輸入電壓值V為電場強度值E與天線系數AF的比值［15］，即

通常接收天線的天線系數約為10～35 dB/m，當AF取最小值10 dB/m時，則電壓V可達到最大值，分別為130.54dBμV 和130.465dBμV。根據電壓和功率的關系，將其轉換為功率值。假設傳輸線纜無損（即阻抗為50 Ω），則可得到測量接收機輸入端口的功率為23.54 dBm和23.47 dBm。

窄帶濾波器通常將中心頻率定為插入損耗的最小值點，通帶帶寬一般選取濾波器左、右相對下降1 dB 或3 dB 處為通帶的邊頻點。已知機車電臺在工作頻段內發射的最大功率約為23.5 dBm（約為224 mW），測量接收機可接收的最大輸入功率為10 dBm（10 mW）。根據定義，插入損耗為輸入濾波器的功率和輸出的功率之比，故可確定所設計的濾波器的插入損耗滿足小于等于3 dB條件即可。

1.3 帶阻單元結構及尺寸分析

根據450 MHz 無線通信機車電臺專用帶阻濾波器的參數要求，所設計的帶阻濾波器應可以工作在457.9 MHz和467.9 MHz 2個中心頻率，且其阻帶帶寬不同。

傳統帶阻濾波器的設計是將傳輸線直接和帶阻單元中諧振腔的開口端進行耦合，導致兩者之間的電場耦合強度較大，很難實現窄帶特性。為此本文通過擴展通帶范圍，優化諧振器的體積大小［16］，選擇SIR諧振腔體結構的帶阻濾波器，將諧振腔電場分布較弱的側邊與主傳輸線進行電容耦合，實現濾波器的窄帶特性。另外，為滿足耦合強度可調節，在諧振腔低阻抗端側邊與主傳輸線導體中心相對的位置處加入可調節的耦合枝節；同時為使帶阻濾波器滿足2個頻段工作的要求，在諧振腔上方中心位置處加入可以控制中心頻率的可調螺釘。本文所設計的帶阻單元三維結構模型見圖4。

圖4 帶阻單元三維結構模型

選擇λ/4同軸線纜（λ為信號波長）作為帶阻濾波器的主傳輸線，內導體與外導體設計為矩形結構，設置傳輸線的阻抗為50 Ω，通過在高頻仿真器結構（High Frequency Simulator Structure，HFSS）的全波三維電磁仿真軟件中仿真，可以分別得到其內外導體的尺寸大小。

諧振器的品質因素Q與阻帶相對帶寬BWP有關［17］，即

式中，fH和fL分別為帶阻濾波器的上邊頻和下邊頻。當中心頻率為457.9 MHz 和467.9 MHz 時，由式（2）可計算出其相對帶寬分別為0.20%和0.17%。通常來說，Q值決定了帶阻濾波器的頻率選擇性，其值越高，則濾波器的選擇性就越好，而相對帶寬和Q值成反比，因此相對帶寬越低，則Q值越高。當BWP=0.17%時，將其代入式（3）即可得出Q值約為1 180，因此在設計諧振器結構時，Q值應大于1 180。另外，由于諧振腔的加載電容會因為加入耦合枝節而增大，因此設計時應使諧振頻率高于467.9 MHz來保留設計余量。

依據上述條件，可得出諧振器的大致尺寸，見表1。

表1 諧振器尺寸mm

在HFSS 軟件中根據表1 中的尺寸調整模型，經仿真得到諧振頻率及其對應的Q值，見表2。

表2 諧振腔的諧振頻率與Q值

由表2可知，HFSS軟件計算出的第一諧振頻率模式1 的頻率約為469.96 MHz （高于設計目標469 MHz），Q值約為3 498.62，滿足設計目標要求。

2 仿真測試

2.1 帶阻單元仿真

阻帶帶寬受帶阻單元中耦合枝節的影響很大，因此很有必要分析帶阻單元對S 參數的影響。S 參數表征為“傳輸網絡”的反射功率和傳輸功率。濾波器的輸出功率和輸入功率之比稱為插入損耗，用S21表示；反射功率和入射功率之比稱為回波損耗，用S11表示。在仿真軟件中對帶阻單元進行建模分析，優化其結構參數，使其S參數達到設計要求。

耦合圓盤在實際的加工和應用中，其半徑無法調節，為了符合設計要求，其半徑取6 mm。通過改變傳輸線到耦合圓盤的距離來調節阻帶帶寬，同時還可調節因加工帶來的誤差。保持圓盤半徑大小不變，即當r=6 mm時，通過改變傳輸線和耦合圓盤之間的距離x來分析其對帶阻單元S 參數的影響。以距離x為變量取不同的值，其余參數為不變量，通過軟件仿真，可以得到如圖5 所示的特性曲線。

圖5 不同耦合距離下S21的特性曲線

由圖5 可知，距離x對阻帶的帶寬、中心頻率以及抑制深度均產生了較為明顯的影響。耦合圓盤與傳輸線之間的距離越近，其阻帶帶寬越寬。同時隨著耦合距離x的減小，諧振器的電場耦合增強，則導致諧振頻率減小，阻帶抑制加深。

根據鐵路機車電臺設備電磁發射的測量原理，要求帶阻濾波器能夠在2 個頻段工作，因此在諧振腔上方設計可調螺釘，通過控制螺釘的深度M來控制中心頻率的位置。對螺釘深度在4～12 mm 范圍內取值分析，利用HFSS 軟件可仿真得到如圖6所示的S21曲線。

圖6 不同螺釘深度下S21仿真結果

從圖6 中曲線的位置可以看出，濾波器的中心頻率隨著螺釘深度的增加而不斷減小，其抑制深度變化不明顯，且阻帶帶寬幾乎不變。因此在設計過程中，可通過改變螺釘的深度來選擇中心頻率，而不影響阻帶帶寬。

利用HFSS 仿真軟件進行優化仿真，得到如表3所示的阻帶單元的尺寸參數。

表3 阻帶單元的物理尺寸mm

最后將螺釘分別深入到諧振腔內6.4 mm 和12.8 mm，得到如圖7 所示頻率響應特性曲線。由圖7 可知，濾波器在457.9 MHz和467.9 MHz處產生衰減極點，且抑制深度幾乎不變，滿足設計需求。

圖7 帶阻單元的頻率響應特性曲線

2.2 帶阻濾波器整體仿真

對優化后的濾波器參數進行分析可知，其阻帶抑制深度應≥24 dB，計算所設計的帶阻濾波器應為2 階帶阻濾波器。利用帶阻單元結構建立的二階窄帶帶阻濾波器仿真模型見圖8。通過λ/4同軸傳輸線連接2 個諧振腔，傳輸線長度固定為157 mm，高度為84 mm。對2個諧振腔的螺釘深度M以及距離x各取2組數據，見表4。

表4 螺釘深度M和距離x參數

圖8 帶阻濾波器仿真模型

對2 組數據建立仿真模型，得到如圖9 所示的S21頻率特性曲線。

圖9 可調帶阻濾波器的S21仿真結果

由圖9可以看出，取第1組數據時，中心頻率出現在467.9 MHz，在頻率范圍467.45～468.35 MHz內，抑制深度大于31.32 dB，-3 dB 帶寬約為4.5 MHz；取第2 組數據時，中心頻率出現在457.9 MHz，在頻率范圍457.5～468.3 MHz 內，阻帶抑制深度達到31.94 dB，-3 dB帶寬約為4.5 MHz。

擴大掃頻范圍，得到模擬的頻率曲線見圖10。

圖10 可調帶阻濾波器寬頻的S參數特性曲線

由圖10 中黑實線可知，寄生阻帶約為中心頻率的5 倍頻2.008 GHz 處，通帶插入損耗幾乎為零；由紅虛線可知，通帶的回波損耗在1.359 GHz之前都小于-20 dB。

仿真結果表明：所設計的帶阻濾波器在457.9～467.9 MHz頻率范圍內實現了中心頻率可調，且阻帶抑制深度均大于31 dB，同時寄生阻帶出現在中心頻率的5 倍頻點位置，表明所設計的濾波器通帶特性較好。所設計的帶阻濾波器達到設計目標，符合設計要求，且具有相對簡單的結構和較小的體積，可作為450 MHz 鐵路機車無線電臺設備電磁發射測量的專用帶阻濾波器。

3 靈敏度分析

在實際制作濾波器的過程中，腔體部分的尺寸參數一定存在著加工誤差，分析腔體結構參數的靈敏度，有助于提高帶阻濾波器的性能，從而成功制作出符合設計要求的濾波器。以設計參數y為自變量［18］，靈敏度函數S為

靈敏度分析主要針對所設計的帶阻濾波器的腔體結構進行討論，分析中心頻率處S21受高、低阻抗段諧振桿半徑以及低阻抗段諧振桿長度3 個參數的影響程度。以中心頻率467.9 MHz 為例，尺寸加工誤差值一般在0.1 mm 左右，因此對仿真優化后的參數增減0.1 mm 取值進行靈敏度分析，由此得到的靈敏度仿真曲線，見圖11。

圖11 腔體物理尺寸的靈敏度分析

由圖11可以看出，以上3種參數都會對中心頻率處的插入損耗產生影響，說明中心頻率處S21受這3 種參數的影響較大，參數的微小變化會帶來中心頻率的迅速變化。

對比圖11（a）和圖11（c）可知，低阻抗段半徑變化的靈敏度曲線斜率要大于長度變化的靈敏度曲線，即低阻抗段諧振桿半徑變化對傳輸特性的影響要比長度變化大，故低阻抗段諧振桿半徑的敏感性更高；對比圖11（a）和圖11（b）的曲線也可以看出，低阻抗段半徑變化的靈敏度曲線的斜率大于高阻抗段半徑變化的靈敏度曲線的斜率，表示低阻抗段半徑變化要比高阻抗段半徑變化對中心頻率處的插入損耗產生的影響大，故低阻抗半徑的靈敏度更高。

由此可知，低阻抗段諧振桿半徑的靈敏度最大，因此在對腔體結構進行加工時，應盡可能提高加工精度，滿足設計要求。

4 加工與性能測試

腔體濾波器的零部件主要包括腔體、可調節的耦合枝節、諧振桿等。考慮到理想的仿真和實際加工之間的誤差以及加工成本等因素，對各零件的材料選擇如下：腔體和蓋板使用6061 鋁合金，諧振桿、螺釘和耦合枝節使用H62 銅，支撐塊選擇特氟龍材料。裝配時用螺釘將各零部件連接起來，同時將50 Ω 的N 型接頭連接到傳輸線上，制作出的實物見圖12。

圖12 腔體帶阻濾波器實物

腔體帶阻濾波器制作連接完成后，對實物進行S參數測量。通過試驗設備矢量網絡分析可以測得濾波器的中心頻率為457.9 MHz 和467.9 MHz時的S21特性曲線，見圖13。

圖13 腔體帶阻濾波器S21測試結果

從圖13 可以看出，帶阻濾波器的中心頻率在457.9～467.9 MHz 范圍內可以調節，通帶的插損最大約為-0.4 dB，略差于仿真值。這是由于腔體加工時產生的毛刺使濾波器的Q值減小，但仍高于目標值。在457.5～458.3 MHz 頻率范圍內阻帶抑制深度大于23.6 dB，在阻帶467.5～468.3 MHz范圍內阻帶抑制深度大于27.4 dB，阻帶抑制深度也略差于仿真值，但是仍然高于指標要求，滿足機車電臺電磁發射測量的測試需求。

設置矢量網絡分析儀的掃頻范圍為30 MHz～2 GHz，對設計的濾波器性能進行測試，可得到如圖14所示的測試結果。如圖14（a）所示，濾波器的寄生阻帶出現在2 GHz以后，在1 GHz以內的插入損耗小于-0.6 dB，如圖14（b）所示，回波損耗小于-15 dB。

圖14 帶阻濾波器0～2 GHz頻率范圍內S參數測試

5 結論

以450 MHz 無線列調機車電臺通信設備為例，基于該無線通信設備的工作特性，針對該無線通信設備在電磁發射測量過程中引起測量接收機亂真響應的問題，設計出一種新型的中心頻率和帶寬都可調的極窄帶SIR腔體帶阻濾波器。

1）利用HFSS 軟件進行仿真，仿真結果表明所設計的帶阻濾波器減小了傳統腔體濾波器的阻帶帶寬，具有良好的通帶特性。

2）結構簡單，體積較小，可以很好地用于450 MHz鐵路機車無線電臺設備的實際電磁發射測量中，工程應用價值較大。

3）對設計的帶阻濾波器進行實際加工測試，結果表明，實際制作出的帶阻濾波器完全滿足設備的電磁發射測試需求。

本文研究設計的針對450 MHz 無線列調機車電臺通信設備電磁發射測量的專用帶阻濾波器，對電磁發射測量結果的準確性有了明顯的提高。