一種橢圓函數(shù)微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李嬋娟，傅世強(qiáng)，孫 爽

(大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026)

微波濾波器是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中重要部件之一，其的主要作用是抑制不需要的信號(hào)，讓需要的信號(hào)通過。濾波器的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。高性能的微帶低通濾波器常被用來抑制系統(tǒng)的諧波輸出?；赗ichards 變換與Kuroda 法則的微帶低通濾波器設(shè)計(jì)［1－2］和高低阻抗微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)［3－4］是兩種常用的方法。然而，上述方法設(shè)計(jì)的濾波器一方面電路尺寸較大，過渡帶較寬;另一方面由于相鄰耦合線線寬不同產(chǎn)生不連續(xù)性，使帶內(nèi)插入損耗較大。為此，文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］采用DGS 技術(shù)，使濾波器電路結(jié)構(gòu)更加緊湊;文獻(xiàn)［7］運(yùn)用分形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成階躍阻抗微帶濾波器，改善通帶特性;文獻(xiàn)［8］采用扇形短截線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)微帶濾波器，縮小尺寸的同時(shí)提升了性能。但以上設(shè)計(jì)方法復(fù)雜，對(duì)于加工精度要求較高。

為克服傳統(tǒng)微帶濾波器結(jié)構(gòu)不緊湊，阻帶衰減較慢，寄生通帶抑制不充分等缺點(diǎn)，本文采用微帶濾波器中比較成熟的高低阻抗線結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款截止頻率為1 GHz 的橢圓函數(shù)微帶低通濾波器。由于傳統(tǒng)的切比雪夫?yàn)V波器的頻率選擇性要變好，只能增加諧振單元數(shù)，這通常會(huì)增大插損，而橢圓函數(shù)濾波器的無限衰減極點(diǎn)可設(shè)在有限頻率處，則通過較少的諧振單元數(shù)便可大幅改善頻率選擇性，從而在減小電路尺寸的同時(shí)，提高濾波器的性能。

1 濾波器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)源和負(fù)載阻抗均為Z0=50 Ω，截止頻率fc=1 GHz，通帶波紋LAr＜0.2 dB，阻帶邊頻fs=1.2 GHz時(shí)最小阻帶衰減LAs＞30 dB 的微帶低通濾波器。選取橢圓函數(shù)濾波器結(jié)構(gòu)形式C0620c［9］，經(jīng)查表可知LAr=0.18 dB，ΩS=1.194，LAs=38.1 dB 的6 支路濾波器原型滿足設(shè)計(jì)要求，其LC 電路結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，用微帶線實(shí)現(xiàn)該濾波器的等效電路結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

查表獲得橢圓函數(shù)低通濾波器的原型元件值:g0=1.000，gL1=0.8214，gL2=0.389 2，gC2=1.084，gL3=1.188，gL4=0.741 3，gC4=0.907 7，gL5=1.117，gC6=1.136。根據(jù)阻抗變換和頻率變換式(1)，可得實(shí)際LC 元件值:L1=6.536 5 nH，L2=3.097 2 nH，C2=3.450 5 pF，L3=9.453 8 nH，L4=5.899 1 nH，C4=2.889 3 pF，L5=8.888 8 nH，C6=3.616 0 pF。由式(2)可求得引入的衰減極點(diǎn)頻率在1.22 GHz 和1.54 GHz。

圖1 設(shè)計(jì)的橢圓函數(shù)低通濾波器結(jié)構(gòu)

用高低阻抗線進(jìn)行微帶濾波器物理實(shí)現(xiàn)，選取介電常數(shù)為2.65，損耗角正切0.002，厚度為2 mm 的微波介質(zhì)板，考慮到加工可實(shí)現(xiàn)性，利用高阻抗線Z0L=100 Ω 等效串聯(lián)電感，低阻抗線Z0C=30 Ω 等效并聯(lián)電容，使用ADS LineCalc 計(jì)算出的微帶線物理參數(shù)，高阻抗線寬度WL=1.5 mm，截止頻率處介質(zhì)波長λgL=210 mm;低阻抗線寬度WC=11 mm，截止頻率處介質(zhì)波長λgC=197 mm。利用式(3)可初步計(jì)算等效微帶線的長度。考慮到開路微帶線的終端電容效應(yīng)，以及高低阻抗線不連續(xù)處的寄生參數(shù)影響，實(shí)際微帶線的長度還需修正計(jì)算，具體公式參見文獻(xiàn)［10］，得到初步電路尺寸之后，便可進(jìn)行電路及電磁場仿真分析

2 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在微波傳輸線中，利用不同特性阻抗的傳輸線作為集總參數(shù)來等效，原則上高阻抗值應(yīng)盡量高，低阻抗值應(yīng)盡量低，這樣對(duì)集總參數(shù)的接近程度越好，但也要兼顧到實(shí)際加工復(fù)雜性和功率容量的要求。根據(jù)計(jì)算得出的電路尺寸進(jìn)行建模仿真分析，分別采用射頻電路分析軟件ADS 和三維電磁場仿真工具HFSS 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終優(yōu)化后得到濾波器的尺寸參數(shù)為lL1=11.8 mm，lL2=5.3 mm，lL3=21.5 mm，lL4=9.1 mm，lL5=15.2 mm，lC2=15 mm，lC4=16 mm，lC6=16 mm。圖2 給出了最終電路的仿真結(jié)果，從圖中可看出，設(shè)計(jì)的濾波器通帶內(nèi)具有較小的插損，同時(shí)具有陡峭的過渡帶，并帶外實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)預(yù)設(shè)的衰減極點(diǎn)。ADS 和HFSS仿真結(jié)果稍有偏差，這是因ADS 采用了電路級(jí)理想仿真，而HFSS 則是考慮了微帶線寄生效應(yīng)的電磁仿真。

圖2 橢圓函數(shù)微帶低通濾波器仿真結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化后的電路尺寸進(jìn)行了實(shí)物制作和實(shí)驗(yàn)測量。圖3 是實(shí)際加工的橢圓函數(shù)微帶低通濾波器實(shí)物圖，圖4 是該濾波器經(jīng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的實(shí)測結(jié)果曲線，可看出在1 GHz 處實(shí)測波紋衰減0.26 dB，阻帶的兩個(gè)衰減極點(diǎn)頻率稍有偏高。整體上實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，實(shí)測和仿真曲線存在的偏差主要是由于N 型接頭和加工誤差等造成的。

圖3 橢圓函數(shù)微帶低通濾波器加工實(shí)物

圖4 橢圓函數(shù)微帶低通濾波器實(shí)測結(jié)果

3 結(jié)束語

本文采用高低阻抗線結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款橢圓函數(shù)型微帶低通濾波器。給出了濾波器的設(shè)計(jì)思路和主要參考公式，并通過仿真軟件ADS 和HFSS 對(duì)其特性進(jìn)行了仿真研究，采用微波材料板制作出濾波器實(shí)物進(jìn)行了測試驗(yàn)證，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。所設(shè)計(jì)的濾波器，結(jié)構(gòu)緊湊，插損小，具有陡峭的過渡帶，滿足實(shí)際工程應(yīng)用。

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