一種新型微帶發(fā)夾帶通濾波器的設計

1 引言

微波帶通濾波器作為無(wú)線(xiàn)電通信和雷達系統中的關(guān)鍵無(wú)源器件,得到了廣泛的研究?，F在應用非常普遍的有波導濾波器、同軸濾波器、帶狀線(xiàn)濾波器和微帶濾波器等等。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電通信和雷達技術(shù)的發(fā)展，加上無(wú)線(xiàn)電通信和雷達系統指標要求的提高，在現代微波通信系統中,尤其是衛星通信和移動(dòng)通信系統中,越來(lái)越需要帶內低插入損耗、帶外高抑制的高性能帶通濾波器。通常，這種濾波器用腔體結構就可以滿(mǎn)足要求,但是在考慮器件體積的情況下,往往首先考慮的是采用微帶線(xiàn)結構來(lái)實(shí)現。盡管微帶的損耗大，Q值低，結構不易調整，其某些指標（如通帶損耗和阻帶衰減）較低于其他形式的濾波器，但是由于微帶在平面版圖和制版上的方便，且易于和別的電路集成，所以微帶帶通濾波器仍在現代微波通信系統中得到廣泛應用 。

常見(jiàn)的微帶帶通濾波器結構有平行耦合線(xiàn)型、交指型、梳狀型和發(fā)夾式等。其中發(fā)夾式帶通濾波器由于其結構緊湊，易于集成，廣泛應用于各種微波通信電路中。傳統的平面耦合帶通濾波器設計一般都是根據濾波器的通帶插入損耗和阻帶的衰減指標，選擇出適當的歸一化低通原型，比如最大平坦型、契比雪夫型、橢圓函數型等，然后計算出阻抗矩陣元素和各耦合線(xiàn)段的奇模及偶模阻抗，最后根據奇偶模阻抗確定該濾波器的物理尺寸。然而傳統設計方法復雜繁瑣，精確度也不高，只能粗略的計算出模型的大概尺寸，之后必須反復進(jìn)行調整和測試。近年來(lái)，隨著(zhù)計算機和應用軟件的不斷發(fā)展，微波濾波器的設計也進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。計算機模擬輔助設計繞開(kāi)了復雜的理論計算和推導，利用電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行微波濾波器的設計。

本文以傳統發(fā)夾濾波器結構為基礎，對其結構進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種變型的發(fā)夾微帶帶通濾波器的實(shí)現形式，與傳統形式相比，新形式能使濾波器的通帶兩側產(chǎn)生一對傳輸零點(diǎn)，從而增加了濾波器的帶外抑制度，使該濾波器具有良好的矩形特性和選頻特性。在本文的最后對提出的結構給出了設計實(shí)例,并利用CST軟件對提出的結構進(jìn)行了優(yōu)化、仿真,證實(shí)了設計方法的正確性。

2 設計原理

要在濾波器的頻率響應實(shí)現傳輸零點(diǎn),通常需要在濾波器結構的諧振器之間實(shí)現交叉耦合,使得諧振器的相鄰耦合和非相鄰耦合之間相位反相,能量相同，從而相互抵消形成零點(diǎn)。傳統發(fā)夾式濾波器結構如圖1所示，發(fā)夾濾波器結構中的諧振單元是由半個(gè)波長(cháng)微帶構成的U形結構，和相鄰的U形結構諧振器相互耦合構成。很明顯，此種耦合結構主要依賴(lài)于相鄰諧振器單元間耦合，非相鄰諧振器單元間耦合較弱，所以該濾波器難以實(shí)現交叉耦合，濾波器的頻率響應也就很難形成傳輸零點(diǎn)。

圖 1 傳統發(fā)夾式濾波器結構示意圖

變型的發(fā)夾濾波器如圖2所示，發(fā)夾濾波器結構中的諧振單元仍是由半個(gè)波長(cháng)微帶構成的U形結構，仍是由相鄰的U形結構諧振器相互耦合，但與傳統形式不同的是，此種耦合不再是朝一個(gè)方向的順序耦合，而形成了間錯的無(wú)序耦合，所以該濾波器實(shí)現了交叉耦合，濾波器的通帶兩側也就產(chǎn)生了一對傳輸零點(diǎn)。s是耦合間距, l是微帶線(xiàn)長(cháng),w是微帶線(xiàn)寬。

圖2 變型發(fā)夾濾波器的結構示意圖

3 微帶濾波器的特性分析

根據前面介紹的變型發(fā)夾濾波器設計方法，在CST中設計了一個(gè)變型發(fā)夾濾波器，材料是厚度為1mm，相對介電常數為2.65的聚四氟乙烯介質(zhì)基片。取s=0.2mm，l=7.5mm，w=1mm，濾波器通帶為7.6~10.6GHz,中心頻率為9.1GHz,帶寬比34%左右，通帶內插入損耗平坦，均小于1.5dB,駐波系數形狀良好,駐波比均小于-10dB，通帶兩側零點(diǎn)落在5.84 GHz和11.5GHz，小于-35dB。

圖4 變型發(fā)夾濾波器響應s=0.2mm,l=7.5mm,w=1mm

保持s=0.2mm，l=7.5mm，僅逐步增大諧振器的耦合間距s，我們可以得到幾組濾波器響應曲線(xiàn)。發(fā)現隨著(zhù)s的增大，濾波器通帶性能漸漸變差，s=0.6mm時(shí)濾波器通帶性能變得已經(jīng)很差,如圖5所示。

圖5 變型發(fā)夾濾波器響應s=0.6mm,l=7.5mm,w=1mm

保持s=0.2mm，l=7.5mm，僅改變微帶線(xiàn)寬w，我們可以得到幾組濾波器響應曲線(xiàn)。發(fā)現當w小于0.75mm和大于2mm時(shí)，濾波器通帶性能變差，w=0.75mm和w=2mm時(shí)濾波器通帶性能分別見(jiàn)圖6、圖7所示。

圖6 變型發(fā)夾濾波器響應s=0.2mm,l=7.5mm,w=0.75mm

圖7 變型發(fā)夾濾波器響應s=0.2mm,l=7.5mm,w=2mm

保持s=0.2mm，w=1mm，僅改變微帶線(xiàn)長(cháng)l，我們可以得到幾組濾波器響應曲線(xiàn)。發(fā)現當l小于4mm和大于11mm時(shí)，濾波器通帶性能變差，l=4mm和l=11mm時(shí)濾波器通帶性能分別見(jiàn)圖8、圖9所示。

圖8 變型發(fā)夾濾波器響應s=0.2mm,l=4mm,w=1mm

圖9 變型發(fā)夾濾波器響應s=0.2mm,l=11mm,w=1mm

4 結論

本文對傳統微帶發(fā)夾濾波器結構進(jìn)行改變，構成一個(gè)變型的微帶發(fā)夾濾波器結構,該濾波器在頻率響應的通帶兩側各有一個(gè)傳輸零點(diǎn),從而提高了濾波器的帶外抑制特性。同時(shí)使用CST仿真軟件對設計實(shí)例進(jìn)行了優(yōu)化、仿真，仿真結果證明該類(lèi)濾波器傳輸零點(diǎn)存在。