半波長(zhǎng)SIR帶通濾波器在諧波抑制中的應(yīng)用*

張立明，馮全源

(西南交通大學(xué)微電子研究所，成都 610031)

隨著電子戰(zhàn)、衛(wèi)星通信和個(gè)人移動(dòng)通信等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，作為關(guān)鍵射頻器件的濾波器的作用越來越重要。現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)對(duì)帶通濾波器的要求，不僅僅是有良好的帶內(nèi)性能，如較小的插損，良好的匹配，有衰減極點(diǎn)等，而且要求其有良好的帶外性能即有足夠?qū)挼淖鑾?。特別是用在微波振蕩器或放大器輸出端的濾波器，要求具有良好的諧波抑制性能[1]。

M.Makimoto和S.Yamashita提出的應(yīng)用階梯阻抗諧振器(SIR-Stepped Impedance Resonators)構(gòu)成濾波器，通過調(diào)節(jié)新的設(shè)計(jì)參量-阻抗比K，既能實(shí)現(xiàn)濾波器小型化的目的，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)抑制諧波提高阻帶頻率響應(yīng)指標(biāo)。另外，雖然理論已經(jīng)證明了四分之一波長(zhǎng)SIR最適于微型化結(jié)構(gòu)，但在實(shí)際中，半波長(zhǎng)SIR比四分之一波長(zhǎng)SIR用于更多的射頻器件。這是由于半波長(zhǎng)SIR是由帶狀線結(jié)構(gòu)組成，允許有更廣的幾何結(jié)構(gòu)，且和有源器件有很好的兼容性[2]。

本文應(yīng)用SIR結(jié)構(gòu)特性分別設(shè)計(jì)了相同阻抗比和不同阻抗比的半波長(zhǎng)SIR帶狀線平行耦合帶通濾波器，通過控制SIR的阻抗比，控制各階諧波通帶的中心頻率位置，間接實(shí)現(xiàn)抑制諧波的目的。同時(shí)為了減小濾波器的體積，所有組成濾波器的單元諧振器都采用了緊湊的發(fā)夾形結(jié)構(gòu)。

1 半波長(zhǎng)SIR-BPF的設(shè)計(jì)原理

1.1 半波長(zhǎng)型SIR-BPF的基本結(jié)構(gòu)

平行耦合開路端的半波長(zhǎng)SIR被用來實(shí)現(xiàn)適合于MIC的BPF。當(dāng)采用SIR作為單元諧振元件時(shí)，輸入輸出耦合和諧振器的級(jí)間耦合仍能通過相同的平行耦合線實(shí)現(xiàn)，但耦合角并不限于π/4弧度。帶狀線平行耦合BPF的分布式耦合電路如圖1所示，這一電路的電學(xué)參量由偶模阻抗Zoe和奇模阻抗Zoo及電耦合角θ來表示[3]。

圖1 采用帶狀線SIR n級(jí)BPF的一般結(jié)構(gòu)

如圖2所示，平行耦合節(jié)可以等效為由兩根單線和一個(gè)導(dǎo)納反相器組成的等效電路。因此，只要制定被設(shè)計(jì)的濾波器的反相器參數(shù)，就可以確定平行耦合節(jié)的綜合電學(xué)參數(shù)。

圖2 平行耦合帶狀線和它的等效電路電學(xué)參數(shù)

1.2 半波長(zhǎng)型SIR諧波特性分析

半波長(zhǎng)型SIR的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，現(xiàn)在取θ1=θ2=θ，則從開路端看去，它的輸入導(dǎo)納為：

圖3 半波長(zhǎng)SIR諧振單元

設(shè)雜散諧振頻率為fSB1fSB2fSB3，對(duì)應(yīng)的θ為θS1θS2θS1，諧振時(shí)輸入導(dǎo)納Yi=0。

于是：

第一雜散響應(yīng)

第二雜散響應(yīng)

第三雜散響應(yīng)

可以看出， SIR的雜散諧振頻率受阻抗比K的控制，通過K的選取，可以改變寄生雜散諧振條件，使某些f0的整數(shù)倍處出不產(chǎn)生寄生條件，得到寬阻帶特性的BPF濾波器。

1.3 半波長(zhǎng)型SIR在諧波抑制中的應(yīng)用

半波長(zhǎng)型平行耦合SIR-BPF一般有兩種結(jié)構(gòu)：一種結(jié)構(gòu)是由相同阻抗比的單元SIR組成，如圖4所示，其雜散諧振頻率發(fā)生在由整數(shù)倍基頻f0衍生的頻率上，這一特性對(duì)于抑制產(chǎn)生于非線性電路中的諧波成分的輸出濾波器的設(shè)計(jì)是十分有價(jià)值的。

阻抗比的選擇應(yīng)滿足：

這是根據(jù)第一次諧波出現(xiàn)位置的要求而求得的阻抗比K的最大值。一般情況下為了計(jì)算方便，可以適當(dāng)選擇K。

另外一種結(jié)構(gòu)是不同阻抗比的單元SIR組合的BPF，通過改變多個(gè)SIR阻抗比來控制雜散諧振頻率而又保持主諧振頻率不變，主要應(yīng)用于有寬阻帶需求的抑制雜散頻率響應(yīng)的BPF.在平行耦合線等分布耦合電路中，由電路的電特性和頻率固有的依賴性可知，雜散響應(yīng)的抑制在不同結(jié)構(gòu)的SIR-BPF中得以提高。

圖4 相同結(jié)構(gòu)SIR-BPF傳輸響應(yīng)

如圖5所示，不同阻抗比的SIR-BPF可以看做由多個(gè)不同阻抗比的單元SIR級(jí)聯(lián)而成，這些單元SIR具有共同的基本諧振頻率，不同的雜散響應(yīng)，級(jí)聯(lián)后，可以有選擇的將部分雜散諧振頻率抑制。因此，不同結(jié)構(gòu)的SIR-BPF能得到更好的雜散相應(yīng)抑制和阻帶擴(kuò)展。

圖5 不相同阻抗比組合SIR-BPF的傳輸響應(yīng)

在設(shè)計(jì)過程中，首先要考慮的是SIR的結(jié)構(gòu)組成，但是目前不存在系統(tǒng)的方法由指定的雜散響應(yīng)電平以確定合適組合。本節(jié)主要針對(duì)阻抗比的選擇情況進(jìn)行探討。

根據(jù)”通過改變多個(gè)SIR阻抗比來控制雜散諧振頻率而又保持主諧振頻率不變”這一要求，阻抗比K的選擇應(yīng)該注意以下三點(diǎn)：

(1)各個(gè)耦合節(jié)的第一和第二次雜散響應(yīng)分散分布，不要重疊，以實(shí)現(xiàn)交互抑制；

(2)在滿足諧波抑制的前提下，兼顧小型化，也就是選擇盡可能小的阻抗比K；

(3)阻抗比K的選擇并不唯一，可以選取不同的組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)仿真結(jié)果確定最優(yōu)組合。

2 SIR濾波器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶3.0 ～3.2 GHz，帶內(nèi)波動(dòng)Lr≤0.01 dB，帶外抑制在f≥3.6 GHz或f≤3.6 GHz處大于40 dB，雜散諧振頻率fs≥2.5f0。

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)分析

濾波器響應(yīng)類型為切比雪夫，經(jīng)計(jì)算級(jí)數(shù)為n=4，相對(duì)帶寬BW=6.25 %。

(1)相同結(jié)構(gòu)的SIR-BPF

(2)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的SIR-BPF

由平行耦合BPF結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，一般將對(duì)稱的平行耦合節(jié)取相同的阻抗比。本設(shè)計(jì)中，為了滿足第一寄生通帶這一指標(biāo)，取第二和第三耦合節(jié)的阻抗比k=0.5， 雜散響應(yīng)在 2.55f0，4.1f0， 5.1f0， …。對(duì)第一和第四耦合節(jié)，為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，取K=1，其雜散響應(yīng)相應(yīng)發(fā)生在中心頻率的整數(shù)倍2f0， 3f0， 4f0， 5f0， …。由于耦合節(jié)的級(jí)聯(lián)關(guān)系，只有不同結(jié)構(gòu)SIR共有的或者距離比較近的雜散響應(yīng)才會(huì)成為SIR-BPF的雜散響應(yīng)，而其它他的雜散相應(yīng)被抑制了。因此，最終得到的SIR-BPF僅有三個(gè)明顯的雜散相應(yīng)2.55f0， 4.1f0， 5.1f0。

2.2 電路仿真

為了使濾波器的結(jié)構(gòu)緊湊，有利于實(shí)現(xiàn)小型化，所有組成濾波器的SIR單元均采用了發(fā)夾型結(jié)構(gòu)[4]。在ADS中建立電路原理圖如圖6所示。

選擇襯底材料如下。

襯底材料 玻璃纖維薄片

圖6 設(shè)計(jì)的相同和不同SIR結(jié)構(gòu)的濾波器原理圖

相對(duì)介電常數(shù) Er=2.6

襯底高度 H=3.13 mm

中心導(dǎo)體厚度 t=0.018 mm

損耗角 Tand=1e-3

為了獲得更加準(zhǔn)確的濾波器結(jié)構(gòu)，在濾波器的設(shè)計(jì)過程中，利用仿真軟件ADS2008對(duì)初始設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[4]，設(shè)計(jì)的SIR-BPF的初始設(shè)計(jì)尺寸和優(yōu)化后的尺寸如表1所示，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖7所示。

表1 初始設(shè)計(jì)和優(yōu)化后的平行耦合線設(shè)計(jì)參數(shù)

圖7

可以看出：相同阻抗比的SIR-BPF其雜散響應(yīng)出現(xiàn)在 2.55f0、5.1f0，在2f0處并沒有出現(xiàn)寄生通帶，說明阻帶已經(jīng)擴(kuò)展到2.5f0，仿真結(jié)果和理論分析是一致的；不同阻抗比的SIR-BPF其雜散響應(yīng)是由多個(gè)SIR的雜散響應(yīng)組合而成的， 分散在2 f0、2.55f0、3f0、4.1f0處，雖然在2f0處出現(xiàn)了寄生通帶，但是其傳輸響應(yīng)已經(jīng)下降到了-45 dB以下，還是滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的，并且，和相同阻抗比的SIR-BPF相比，它所有雜散響應(yīng)的傳輸函數(shù)都比較低，這是由于不同SIR的諧波相互抑制作用產(chǎn)生的。

2.3 Momentum電磁仿真

版圖的仿真是采用Momentum(矩量法)直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要更加接近實(shí)物的響應(yīng)。一般情況下，由原理圖直接生成的版圖仿真得到的曲線不滿足指標(biāo)要求，產(chǎn)生這種情況的原因是相鄰耦合線節(jié)間的線寬相差過大或者其它的參數(shù)取值不合適。本文的做法是根據(jù)曲線與指標(biāo)的差別情況，適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)，重新對(duì)原理圖進(jìn)行優(yōu)化仿真。重復(fù)版圖——原理圖——版圖的優(yōu)化過程，直到版圖仿真的結(jié)果達(dá)到要求。

圖8 三維版圖俯視圖

最終得到Momentum電磁仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 正向傳輸系數(shù)仿真曲線

圖10 輸入端口反射系數(shù)仿真曲線

3 結(jié)論

本文介紹了半波長(zhǎng)SIR-BPF的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)步驟，對(duì)其諧波抑制原理進(jìn)行了分析，并且討論了相同阻抗比和不同阻抗比這兩種結(jié)構(gòu)的SIR-BPF傳輸響應(yīng)，目的是說明根據(jù)不同的應(yīng)用背景，可以選擇不同的結(jié)構(gòu)來達(dá)到抑制雜散響應(yīng)的目的對(duì)于不同阻抗比的SIR-BPF，其阻抗比K的組合并不唯一，而是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用而有多種選擇，使用這種結(jié)構(gòu)可以得到更好的傳輸響應(yīng)，但是設(shè)計(jì)過程要相對(duì)復(fù)雜一些。

[ 1] Cristal E G， Frankel S.Hairpin-Line and Hybrid Hairpinline/Half-Wave Parallel-Coupled-Line Filters[ J].IEEE Trans Microwave Theory Tech， 1972， 20：719-728.

[ 2]Makimoto M， Yamashita S.無線通信中的微波諧振器與濾波器[M].趙宏錦，譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 2002.

[ 3] 甘本祓，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[ M].北京：科學(xué)出版社， 1973.

[ 4]Agilent Technologies.“Line Calc Program” Advanced Design System ver.1.3， Palo Alto， CA， November 1999.

[ 5]Nikholas G.Practical Techniques for Designing Microstrip Tapped Hairpin Resonator Filterson FR 4 Laminates[ M] .Toledo， 2001.