Ka頻段平行耦合微帶線濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

閆書保

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州 510663）

Ka頻段平行耦合微帶線濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

閆書保

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州 510663）

0　引言

在微波射頻電路中，濾波器是一種應(yīng)用非常廣泛的無源器件。它的主要作用是抑制無用信號(hào)，只讓有用的信號(hào)通過。在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對(duì)電路的性能指標(biāo)有很大的影響。濾波器性能的好壞，直接決定了整個(gè)射頻鏈路性能的好壞。平行耦合微帶線帶通濾波器具有體積小、帶外抑制好和設(shè)計(jì)方便等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各種射頻通信系統(tǒng)中。

1　基本原理

在射頻鏈路的微帶濾波器中，最常用的就是平行耦合微帶線濾波器。它由平行的耦合微帶線組成，構(gòu)成一個(gè)諧振電路，由于兩個(gè)傳輸線之間電磁場(chǎng)的相互作用，在兩個(gè)傳輸線之間會(huì)產(chǎn)生功率耦合，使得射頻信號(hào)通過，阻斷不需要的信號(hào)。

從理論上而言，平行耦合微帶線帶通濾波器是由多段四分之一波長(zhǎng)耦合線段通過緊密耦合形成的。因此，本文首先分析單個(gè)四分之一波長(zhǎng)耦合線段的濾波器特性，然后在進(jìn)一步說明如何利用這些耦合線段來設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器。單個(gè)平行耦合線段的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　單個(gè)平行耦合線段結(jié)構(gòu)

單個(gè)平行耦合線段，可以看成一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，具體方法是將四個(gè)端口中的兩個(gè)在終端看成開路或短路。由于在實(shí)際制作中，微帶開路線要比短路線更容易實(shí)現(xiàn)，因此，對(duì)于帶通濾波器而言，可以將圖1的兩端口網(wǎng)絡(luò)中帶箭頭的兩個(gè)端口視為開路。這樣，該單個(gè)平行偶爾會(huì)線段的近似等效電路模型如圖2所示。

該等效電路可以用ABCD矩陣參數(shù)來表示，如式（1）。

導(dǎo)納倒相器的ABCD參量可以將它考慮成為特征阻抗是1/J的四分之一波長(zhǎng)傳輸線段得到，此時(shí)，該等效電路的鏡像阻抗為：

因?yàn)閭鬏斁€的長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)，所以θ=90°，通過上面的矩陣參數(shù)，可以推導(dǎo)出傳輸線的奇模阻抗和偶模阻抗，分別如式（3）和式（4）所示。

單個(gè)平行耦合線段雖然具有帶通濾波器的特性，但是其不具備良好的帶通特性和帶外抑制。因此，要通過多段平行耦合線段單元來構(gòu)成實(shí)用的濾波器。N+1段平行耦合線帶通濾波器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2　單個(gè)平行偶爾會(huì)線段的近似等效電路模型

圖3　N+1段平行耦合微帶線濾波器結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)奇偶模阻抗的理論，我們可以得到有N+1段平行耦合微帶線濾波器的設(shè)計(jì)公式如式（5）、式（6）和式（7）所示。

其中，gn代表原型值，這個(gè)值可以通過查表來得到。Δ為濾波器的相對(duì)帶寬，其表達(dá)式如式（8）所示：式（8）中，ω2，ω1和ω0分別為濾波器的上下工作頻率和中心頻率。

2　濾波器的仿真與設(shè)計(jì)

本文要設(shè)計(jì)的帶通濾波器，其工作頻率為Ka頻段，帶外對(duì)系統(tǒng)本陣的抑制要有-25dB以上。對(duì)于該類型的濾波器而言，級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)越多，其帶外抑制效果越好，但是其尺寸也較大。綜合考慮各方面的因素，本濾波器采用7級(jí)平行耦合微帶線來實(shí)現(xiàn)。

已知了濾波器的工作頻率和級(jí)數(shù)，就可以確定相關(guān)參數(shù)。其中，Δ=0.07843。這里的gn采用最平坦低通濾波器原型的元件值。gn值如表1所示。

表1　gn的值

有了gn的值和的值，根據(jù)公式（3）、公式（4）、公式（5）、公式（2）和公式（1）就可以求出各級(jí)平行耦合微帶線的奇模阻抗和偶模阻抗，其值如表2所示。

表2　各級(jí)平行耦合微帶線的奇模阻抗和偶模阻抗的值（單位：歐姆）

濾波器的介質(zhì)基材采用Rogers5880高頻板，其厚度為0.254mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.2。有了表2的奇模阻抗和偶模阻抗的值，利用ADS工具，可以得到每一段耦合微帶線的長(zhǎng)度L、寬度W和間距S，具體的結(jié)果如表3所示。

表3　每級(jí)微帶耦合線的長(zhǎng)度L、寬度W和間距S數(shù)值表

依據(jù)表3得到的微帶耦合線的具體尺寸，用HFSS建模，7級(jí)平行耦合微帶線帶通濾波器的HFSS模型如圖4所示。

圖4　7級(jí)平行耦合微帶線帶通濾波器的HFSS模型

在具體的建模時(shí)，為了獲得良好的阻抗匹配性能，在平行微帶耦合線濾波器的兩端添加了阻抗變換部分，經(jīng)過HFSS仿真優(yōu)化，其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　HFSS仿真結(jié)果

從圖5可以看出，該濾波器的回波小于-20dB，差損小于0.3dB。通過HFSS建模仿真可以發(fā)現(xiàn)，每一級(jí)微帶線的寬度，間距和長(zhǎng)度對(duì)仿真結(jié)果的影響是不同的。當(dāng)調(diào)整第一級(jí)微帶線的間距時(shí)，不但可以調(diào)整回波的好壞，還可以調(diào)整濾波器通帶內(nèi)的波紋。第二級(jí)微帶線的間距主要影響濾波器的工作帶寬和帶外抑制。調(diào)節(jié)微帶線的長(zhǎng)度，這個(gè)主要影響濾波器的中心頻率，因?yàn)楦鶕?jù)平行耦合微帶線濾波器的原理，其工作頻率跟其四分之一波長(zhǎng)是對(duì)應(yīng)的。當(dāng)調(diào)整微帶線的寬度時(shí)，可以對(duì)回波進(jìn)行調(diào)整。因此，為了達(dá)到較好的仿真效果，在掌握了各種參量對(duì)仿真結(jié)果的影響之后，主要利用HFSS的優(yōu)化工具來進(jìn)行仿真優(yōu)化。

3　濾波器的實(shí)測(cè)與分析

將優(yōu)化后的HFSS模型導(dǎo)出成DXF格式，然后在利用DXP軟件進(jìn)行PCB繪制。從仿真中來看，微帶線的寬度，間距和長(zhǎng)度等變量對(duì)仿真結(jié)果影響較大，因此在PCB委外加工的時(shí)候，一定要向廠家提出較高的加工精度，這樣才能保證加工出來的PCB的質(zhì)量。為了對(duì)該頻段的濾波器進(jìn)行測(cè)試，我們專門加工了用于測(cè)試的夾具（微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器），如圖6所示。

圖6　濾波器測(cè)試夾具

平行耦合微帶線濾波器的印制板實(shí)物如圖7所示。

圖7　印制板實(shí)物

采用圖6所示的測(cè)試夾具對(duì)濾波器進(jìn)行測(cè)試，其回波測(cè)試結(jié)果如圖8所示，通頻帶特性測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

從測(cè)試結(jié)果看，該濾波器的回波在-20dB以下，通帶內(nèi)差損約為6dB，對(duì)本陣處的帶外抑制達(dá)到-30dB，達(dá)到了當(dāng)初設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。對(duì)濾波器的實(shí)際測(cè)試的結(jié)果來看，差損比仿真時(shí)變差許多，這主要由兩方面造成的，一是測(cè)試夾具，它的差損本身較大，約為2dB，一是濾波器印制板的加工精度造成的。

4　結(jié)語(yǔ)

本文以HFSS仿真軟件和平行耦合微帶線的基本理論為依據(jù)，并利用ADS關(guān)于奇模阻抗和偶模阻抗的計(jì)算工具，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于Ka頻段的帶通濾波器。利用HFSS軟件進(jìn)行仿真，大大提高了設(shè)計(jì)的精度和效率。對(duì)該濾波器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，其回波小于-20dB，差損約為6dB，帶外對(duì)本陣的抑制達(dá)到30dB，達(dá)到了實(shí)用的要求，可用于相關(guān)頻段的射頻鏈路中。

圖8　濾波器回波測(cè)試結(jié)果

圖9　濾波器通頻帶特性測(cè)試結(jié)果

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Parallel Coupled Microstrip Line Filter；HFSS Simulation；Odd-Even Mode Impedance

Design and Implementation of the Ka Band Parallel Coupled Microstrip Line
Filter

YAN Shu-bao
（Guangzhou Haige Communications Group Limited by Share Ltd，Guangzhou 510663）

1007-1423（2015）22-0062-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.22.016

閆書保（1981-），男，河南南陽(yáng)人，研究生，從事領(lǐng)域?yàn)楣Ψ叛邪l(fā)工作、衛(wèi)星通信方面的研發(fā)工作

2015-07-25

2015-08-01

平行耦合微帶線濾波器是一種在微波電路中廣泛應(yīng)用的帶通濾波器。設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于Ka頻段的平行耦合微帶線濾波器。為了保證濾波器的性能，采用HFSS仿真和奇偶模阻抗原理相結(jié)合的方法，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)表明，該濾波器的指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期要求。

平行耦合微帶線濾波器；HFSS仿真；奇偶模阻抗

The parallel coupled microstrip line filter is a band-pass filter which is one of the most widely used in the microwave circuit.Designs a parallel coupled microstrip line filter that is used in Ka frequency band.In order to ensure the design of the filter performance，this paper uses the method of the HFSS simulation and odd-even mode impedance principle.The simulation and practical test show that the filter performance indexes meet the expected requirements.