懸置帶線(xiàn)帶阻濾波器的設計

1引言

帶阻濾波器常用于射頻/微波系統中濾除不需要的信號或者抑制寄生響應，抑制不同通信系統之間的干擾，可以解決相近的本地收發(fā)天線(xiàn)之間的共址干擾問(wèn)題。

懸置帶線(xiàn)是一種優(yōu)越的電磁波傳輸系統，其用途廣泛，可以用來(lái)實(shí)現各種類(lèi)型的濾波器，不僅可用于傳輸線(xiàn)諧振器型濾波器，也可用于半集總濾波器的設計。一般來(lái)說(shuō)，在平面傳輸線(xiàn)中金屬損耗占據主導地位，相對于微帶線(xiàn)和共面線(xiàn)，懸置帶線(xiàn)的橫截面較大，這有效降低了金屬層的電流密度以及介質(zhì)中的電場(chǎng)強度，從而能有效減小損耗，同時(shí)，屏蔽效應使其不會(huì )產(chǎn)生輻射，延伸至空氣中的電磁場(chǎng)成分增加，降低色散效應對濾波器性能的影響。

在帶阻濾波器的設計中，阻帶抑制特性及通帶到阻帶的過(guò)渡特性是設計兩個(gè)重要方面。帶阻濾波器的設計常見(jiàn)于窄帶或者寬帶的設計，其結構形式多種多樣，采用平面傳輸結構形式具有低成本，易于加工的優(yōu)點(diǎn)，大量的相關(guān)設計的文章發(fā)表于各種期刊雜志，但是，關(guān)于中等阻帶寬度的帶阻濾波器設計的文獻較為少見(jiàn)，本文設計了一種X波段帶阻濾波器，采用“支線(xiàn)式”結構，AnsoftHFSS軟件仿真，實(shí)現通帶2～18GHz，具有15%的阻帶帶寬，陡峭的過(guò)渡帶。

2帶阻濾波器設計的基本原理

首先，介紹幾種平面帶阻濾波器的結構形式，如圖1所示，這三種濾波器結構是1/4波長(cháng)短截線(xiàn)微波帶阻濾波器的常見(jiàn)類(lèi)型，“平行耦合式”結構（圖1（a）所示）適用于窄帶帶阻濾波器，“并聯(lián)基型”（圖1（b）所示）適用于寬帶帶阻濾波器，而“支線(xiàn)式”結構（圖1（c）所示）適用于中等帶寬帶阻濾波器的設計。

本文設計一種中等阻帶寬度的帶阻濾波器，采用圖1（b）所示的支線(xiàn)式電路結構，其等效于圖2（a）所示的1/4波長(cháng)短截線(xiàn)帶阻濾波器基型電路，這種基型帶阻濾波器的準確設計公式[5]，可以應用頻率變換和黑田變換，直接從集總原件LC梯形低通原型推導出來(lái)，具體步驟是：①確定低通原型；②將各元件乘以帶寬因子；③加入單位元件，應用黑田變換；④確定電路結構。

圖1帶阻濾波器的幾種結構形式

支線(xiàn)式結構于平行耦合式結構是等效的，它們均等效于圖2b）所示的結構形式，同時(shí)等效于圖2a）所示的1/4波長(cháng)短截線(xiàn)帶阻濾波器并聯(lián)基型，這兩種濾波器的單節與基型單節的參數間的關(guān)系為：

(1)

(2)

(3)

其中，

實(shí)現條件為：

(4)

式中，Y1為并聯(lián)短截線(xiàn)的特性導納，Y12為聯(lián)接線(xiàn)的特性導納，Ca、Cb為桿對地單位長(cháng)自電容，為桿間單位長(cháng)互電容，η0為自由空間波阻抗，εr為相對介電常數。

圖2支線(xiàn)式帶阻濾波器的等效

3X波段帶阻濾波器設計

本文所設計的帶阻濾波器的技術(shù)指標如下：

中心頻率：f0=11.8GHz

阻帶：10.9GHz-12.7GHz（相對帶寬15%）

阻帶內衰減：L≥45dB

通帶插損：IL≤2.0dB@2-10.1GHz13.5-18GHz

根據前面的分析，采用支線(xiàn)式結構設計濾波器能夠滿(mǎn)足15%阻帶帶寬的要求，根據阻帶衰減要求，取n=10，采用RT/durold®6002陶瓷板作為基板，相對于微帶線(xiàn)來(lái)說(shuō)，懸置帶線(xiàn)能夠減小損耗，能夠獲得更加優(yōu)越的過(guò)渡帶特性。在A(yíng)DS中建立原理圖，給出各短截線(xiàn)及主線(xiàn)的初值并優(yōu)化，從而得到帶阻濾波器的各結構參數的較準確的值，在此基礎之上，采用Ansoft公司的三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS建立三維模型，進(jìn)行參數掃描或者優(yōu)化，確定參數的精確值，得到滿(mǎn)足指標要求的仿真曲線(xiàn)，如圖3所示，阻帶衰減大于45dB的范圍約為16%，通帶插損不大于2.0dB，滿(mǎn)足設計指標的要求。這樣，既利用了原理圖設計的簡(jiǎn)單性及快速性，又利用了三維電磁場(chǎng)仿真的準確性，從而可以快速而準確的設計出所需要的濾波器電路。

圖3帶阻濾波器仿真曲線(xiàn)

根據仿真得到的結構參數的準確值，進(jìn)行了加工與測量，其實(shí)物照片如圖4所示。

圖4帶阻濾波器實(shí)物圖

采用安捷倫公司的E8363B矢網(wǎng)測試，測量結果如圖5所示。測量結果顯示：阻帶衰減在10.9GHz-12.7GHz范圍內大于48dB，其邊帶特性較仿真有一定的惡化，在調試過(guò)程中發(fā)現：無(wú)論調節那個(gè)一諧振，其第二個(gè)通帶（13.5-18GHz）的駐波變化很小，基本上沒(méi)有改善，而第一個(gè)通帶（2-10.1GHz）的駐波均可以通過(guò)調試使其小于2，可調性很高。分析出現以上情況的原因，一是軟件求解存在的仿真誤差，二是加工誤差的引入，三是部分結構參數不可調，只能調節各個(gè)諧振支線(xiàn)的電長(cháng)度，其耦合不可調，導致第二通帶駐波有一定的惡化?？梢酝ㄟ^(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化仿真，提高加工精度，適當減小諧振短截線(xiàn)的長(cháng)度，改善高端的駐波比，通過(guò)調諧釘補償諧振器的電長(cháng)度，以達到改善濾波器性能的目標。

圖5帶阻濾波器測量曲線(xiàn)

4結論

本文采用支線(xiàn)式結構設計了一種中等阻帶帶寬的帶阻濾波器，使用懸置帶線(xiàn)結構獲得較高的Q值，陡峭的邊帶過(guò)渡特性，該濾波器還具有低成本、易于加工的優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足工程應用的需要。