設計一個(gè)具有高的鏡像抑制特性的平面濾波器

高抑制濾波器在接收器和其他系統中往往是有益的，在那里必須去除掉無(wú)用信號鏡像而不對所要的信號產(chǎn)生干擾。通過(guò)以下的簡(jiǎn)單辦法，使得設計平面濾波器用于更高的微波頻率成為可能。該技術(shù)依靠的是傳輸零點(diǎn)的定位，從而選擇性地抑制無(wú)用的鏡像。這一方法還提供了對雜散二次諧波信號的高抑制。為了說(shuō)明這一技術(shù)，通過(guò)設計和制作一個(gè)小型Ku波段濾波器來(lái)加以闡述，該濾波器在計算機仿真和實(shí)測結果之間具有良好的一致性。

具有高抑制的濾波器在許多高頻系統中是非常重要的模塊組件，這些系統需要對無(wú)用的鏡像信號進(jìn)行抑制?？梢酝ㄟ^(guò)采用交叉耦合結構來(lái)制作高抑制濾波器，其中在不相鄰諧振器之間的交叉耦合產(chǎn)生了改善幅度衰減的傳輸零點(diǎn)。但是，采用這種方法來(lái)設計平面濾波器將需要四個(gè)諧振器，才能達到良好的衰減特性，由于有多個(gè)諧振器產(chǎn)生了高的插損。

通過(guò)設計傳統帶通濾波器來(lái)實(shí)現高鏡像抑制和低插損是可能的，例如叉指型、發(fā)夾型、終端耦合以及空腔配置等。例如，空腔濾波器提供了高抑制，但往往很笨重，難以與微波集成電路(MIC)進(jìn)行集成。終端耦合和發(fā)夾型濾波器微波頻段最為常用，但往往還是很大，并且需要越來(lái)越多的諧振器。此外，這些帶通濾波器的類(lèi)型表現出不良的二次諧波信號成分。本文所提出濾波器設計方法通過(guò)最小的耦合部件利用簡(jiǎn)單的基于諧振器的緊湊結構克服了上述問(wèn)題。它對傳輸零點(diǎn)有很好的控制，從而達到理想的抑制水平。

通過(guò)控制傳輸零點(diǎn)的位置是有可能設計出經(jīng)濟而高效的帶通濾波器的。通常，這種結構在較低頻率提供了低的衰減，但在某個(gè)截止頻率以上增加了衰減，在無(wú)限高頻率處具有零傳輸。為了對傳輸零點(diǎn)的工作有更好地理解，設想如圖1所示的五階低通濾波器。在無(wú)限高頻率處，每個(gè)電感成為開(kāi)路，而每個(gè)電容器成為短路。圖1所示的濾波器在無(wú)限頻率處有五個(gè)傳輸零點(diǎn)。同樣，一個(gè)五階高通濾波器在無(wú)限低頻(直流)處有五個(gè)傳輸零點(diǎn)。要承認帶通濾波器傳輸零點(diǎn)的數量是有所不同的，這可以通過(guò)考慮如圖2所示的三階帶通濾波器來(lái)解釋說(shuō)明。

在直流，串聯(lián)電感和并聯(lián)電容沒(méi)有影響。在直流，有三個(gè)傳輸零點(diǎn)。在頻率無(wú)限處，串聯(lián)電容和并聯(lián)電感消失，并且有三個(gè)傳輸零點(diǎn)。在帶通濾波器結構中，在直流傳輸零點(diǎn)的數量決定了濾波器通帶以下的選擇性；在頻率無(wú)限處傳輸零點(diǎn)的數量決定了濾波器在通帶以上的選擇性。如果濾波器在直流和頻率無(wú)限處有相同數量的傳輸零點(diǎn)，其傳輸響應是不對稱(chēng)的。在直流和頻率無(wú)限處設計具有相同數量傳輸零點(diǎn)的濾波器是沒(méi)有必要的；如果在通帶以上比通帶以下要求更多的衰減，那么可以設計通帶響應比無(wú)限頻率處有更多數目的傳輸零點(diǎn)。

除直流和無(wú)限頻率處，在其他頻率還可以引入傳輸零點(diǎn)，從而形成濾波器響應?？梢酝ㄟ^(guò)增加諧振器來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)，無(wú)論在通帶以前或以后或是或通帶的兩側，這些諧振器在所需頻率處提供了傳輸零點(diǎn)。

為了說(shuō)明平面濾波器設計方法的使用，將設計和制作一個(gè)濾波器的實(shí)例。設計目標是一個(gè)相對狹窄的帶通濾波器，其中心在14.5GHz處，在鏡像頻率具有超過(guò)40dB的抑制，例如在13.0和16.7GHz。該濾波器還表現出最小通帶插損。該簡(jiǎn)單結構主要是在其開(kāi)口端處有兩個(gè)面對面的諧振器，如圖3所示。每個(gè)發(fā)夾型諧振器是中心頻率的半波長(cháng)，并且利用不對稱(chēng)饋電線(xiàn)進(jìn)行抽頭?？梢岳煤?jiǎn)單公式對該抽頭的位置進(jìn)行計算：

通過(guò)這種形式排列的兩個(gè)發(fā)夾型諧振器獲得了帶通濾波器的行為，這二者在結構的開(kāi)口端。該諧振器是由傳輸線(xiàn)長(cháng)度的電感(L1和L2)和間隙電容(S)組成的。最小的耦合間隙(其確定了諧振器的電容)比傳統的耦合端或是發(fā)夾型濾波器結構控制起來(lái)要容易得多。輸入和輸出的抽頭位置在所要求的頻率增加了傳輸零點(diǎn)，從而控制抑制。圖4表示了不同的結構，這些結構是作為實(shí)例濾波器以及不同結構的仿真結果如圖5所示。

對結構1和2進(jìn)行仿真，并加以改變來(lái)適應抽頭點(diǎn)的位置，而采用增加諧振器之間間隙的寬度來(lái)對結構3進(jìn)行仿真。圖5的仿真表示了隨著(zhù)輸入和輸出之間失調的增加，兩個(gè)傳輸零點(diǎn)看起來(lái)接近通帶，在通帶附近提供了高選擇性。然而，這可能導致過(guò)耦合條件。由抽頭位置所造成的，除耦合效應外，耦合間隙S還影響了兩個(gè)諧振器之間的耦合。從圖5的仿真，可以看到耦合間隙的增加導致了更好的品質(zhì)因數(Q)。因此，為避免過(guò)耦合條件，應慎重選擇抽頭位置和間隙大小。一旦確定了抽頭位置，對所要求的濾波器響應，耦合間隙(S)能得以?xún)?yōu)化。

在氧化鋁陶瓷基板上制作原型濾波器，其具有介質(zhì)常數9.8和10mil的厚度。采用來(lái)自安捷倫科技公司的計算機輔助工程(CAE)工具的先進(jìn)設計系統(ADS)套件平面電磁場(chǎng)(EM)仿真器Momentum來(lái)實(shí)現仿真。采用來(lái)自安捷倫科技公司的PNA系列網(wǎng)絡(luò )分析儀來(lái)測試所制作濾波器的特性。

測量結果(圖6)與仿真結果比較接近。原型濾波器通帶中于仿真相比多出的1dB插損可以用連接器和輻射損耗(不包括在仿真中)來(lái)解釋。測量結果表明在13.0和16.7GHz間所要求頻率上有超過(guò)45dB的優(yōu)良帶外抑制，并且在較低頻率有優(yōu)于30dB的抑制。濾波器的測量回波損耗要優(yōu)于20dB，具有低于10dB的二次諧波。

此處涉及的這一濾波器設計方法簡(jiǎn)單地實(shí)現并提供了高抑制而沒(méi)有不良耦合。該設計技術(shù)非常適合于制造鏡像抑制濾波器，這些濾波器適用于那些在乘法器和其它器件中要求鏡像信號抑制的應用；該設計方法還提供了用于放大器和頻率源的優(yōu)良二次諧波抑制。該技術(shù)通過(guò)增加諧振器的數目實(shí)現了更高水平的抑制。

發(fā)布者：小宇