應(yīng)用于雷達接收機的寬阻帶帶通濾波器設(shè)計

蔡煒波++張曉發(fā)

摘 要： 介紹了交指型微帶濾波器的基本設(shè)計原理，并利用ADS和HFSS軟件仿真設(shè)計了通帶為2.7～3.5 GHz的高陡峭度的寬阻帶帶通濾波器，并已應(yīng)用于某雷達接收機。該方法雖然原理上基于傳統(tǒng)公式計算、查表，但是充分利用了ADS軟件強大的設(shè)計功能，直接由指標要求得到近似的尺寸，然后進行優(yōu)化得到最終設(shè)計結(jié)果。測試結(jié)果表明，該方法可行有效，設(shè)計周期短，對雷達接收機濾波器設(shè)計有很強的工程指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞： 交指型濾波器； 寬阻帶； 抽頭式濾波器； 雷達接收機

中圖分類號： TN713+.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）21?0086?03

Design of wide?stopband band?pass filter applied to radar receiver

CAI Weibo， ZHANG Xiaofa

（Laboratory of Microwave Millimeter Wave Guidance and Confrontation， National University of Defense Technology， Changsha 410000， China）

Abstract： The design fundamental of interdigital microstrip filter is introduced. A wide?stopband bandpass filter of high steepness whose passband is 2.7～3.5 GHz was designed by ADS and HFSS software simulation， which has been applied in a certain radar receiver. Although the method in principle is based on the computation and lookup table of the traditional formula， it takes full advantage of the powerful design function of ADS software. The approximate size was acquired according to the index requirements， then the final design results were obtained by optimization. The test results show that this method is feasible and effective， and has short design cycle. It has strong engineering guidance to the filter design of the radar receiver .

Keywords： interdigital filter； wide?stopband； tapped filter； radar receiver

0 引 言

濾波器是雷達系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)中不可或缺的重要部件，其性能的優(yōu)劣往往會直接影響整個系統(tǒng)的質(zhì)量。按其所用的傳輸線的類型來分，可分為波導(dǎo)濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器和微帶線濾波器等。

目前為了適應(yīng)微波器件體積小、性能高、成本低、加工簡單的趨勢，微帶交指型濾波器是使用最廣泛的濾波器方式之一。交指型濾波器在3倍頻處有寄生通帶[1]。

本文采用帶通交指濾波器和低通濾波器級聯(lián)的方式很好地解決了此問題，不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且低通濾波器[Q]值低，易于實現(xiàn)，而且階數(shù)少，使通帶的插入損耗小。

1 設(shè)計原理

交指型結(jié)構(gòu)是由平行耦合線陣通過相互交叉而形成，圖1為終端短路抽頭交指型濾波器的結(jié)構(gòu)。每個諧振器的長度為[λg4]。濾波器各參數(shù)求解步驟如下[2]：

（1） 確定低通原型：根據(jù)濾波器的帶寬、衰減、帶內(nèi)波紋等指標，選擇適當(dāng)?shù)牡屯ㄔ?。確定濾波器的階數(shù)[n]以及各階電導(dǎo)參量。

對于切比雪夫終端短路式交指濾波器，濾波器的階數(shù)[N]可由式（1）近似求得[3]：

[N≥1+ln2aε-cosh-1Ω1Ωscosh-11+Ω211+Ω2s] （1）

式中：[ε=10LAr10-112；][Ωs=tan πfs2f0；][Ω1=tanθ1=tan πω12ω0=][tan πf12f0；][a=10LAs20。]

其中，[fs]為阻帶衰減的頻率；[LAr]為通帶衰減量的最大值；[LAs]為阻帶衰減量的最大值。然后根據(jù)濾波器的階數(shù)[N，]通過查表[4]得到電導(dǎo)[g1，g2，…，gn。]

（2） 求得耦合系數(shù)[K]和外部[Q]值：由電導(dǎo)[5][g1，][g2，…，gn，]求得：

[Qei=gi-1giFBW，i=1，2，…，n] （2）

[Ki-1，i=FBWgi-1gi，i=1，2，…，n] （3）

（3） 求得枝節(jié)寬度[W、]枝節(jié)間距[S]和枝節(jié)長度[L，]枝節(jié)長度[L]一般為[λg4。]利用文獻[6]中的尺寸與[K]值的關(guān)系，求得初始值[W]和[S。]

（4） 計算抽頭饋電點[t]的值[7]：

[t=2Lπsin-1π2Z0ZrQe] （4）

式中：[Z0=50 Ω]為微帶抽頭線的特性阻抗；[Zr]為微帶線諧振器無耦合情況下的特性阻抗；[Qe]為濾波器終端外界的品質(zhì)因數(shù)。

2 濾波器的設(shè)計

本項目中帶通濾波器設(shè)計指標如下：

通帶：2.7～3.5 GHz，通帶內(nèi)衰減小于2.5 dB，[S11≤]

-15 dB，在2.2 GHz以下衰減大于20 dB，在5～12 GHz衰減大于35 dB?；鍨镽ogers4350，厚度為0.508 mm，尺寸小于20 mm×30 mm。

該濾波器的設(shè)計分為帶通濾波器設(shè)計和低通濾波器設(shè)計兩部分。

2.1 電路仿真

2.1.1 帶通濾波器設(shè)計

由公式（1）計算出濾波器的階數(shù)為7。利用ADS得到濾波器近似尺寸如圖2所示。

將[W1～W7，][S1～S6，][L1，L2]設(shè)置為參數(shù)進行進一步優(yōu)化。最終得到的濾波器尺寸為：

[W1=2.02 ]mm，[W2=0.207 ]mm，[W3=]0.731 mm，[W4=]0.786 mm，[W5=]0.746 mm，[W6=]0.788 mm，[W7=]2.362 mm，[S1=0.249 mm，][S2=0.498 mm，][S3=0.506 mm，][S4=][0.515 mm，][S5=0.454 mm，][S6=0.212 mm，][L1=6.308 mm，][L2=7.928 mm。]

2.1.2 低通濾波器的設(shè)計

考慮尺寸要求選擇高低阻抗線形式，其指標如下：

通帶：0～5 GHz，插入損耗小于1 dB；

阻帶：7～12 GHz，抑制大于40 dB。

圖3為低通濾波器電路。

將設(shè)計的交指帶通濾波器與高低阻抗線低通濾波器級聯(lián)，電路仿真結(jié)果如圖4所示。

2.2 電磁仿真

根據(jù)電路仿真得到的尺寸在HFSS中建模，如圖5所示。選擇接地通孔的形式實行短路線的接地。

3 測試結(jié)果

由于鍍金對耦合影響很大，故加工時表面不做任何工藝。加工實物如圖7所示。

測試結(jié)果如圖8所示。對1～15 GHz進行掃頻，可以看出通帶（2.7～3.5 GHz）[S21≥]-2.44 dB，[S11≤]-17 dB，在2.2 GHz處[S21≤]-20.15 dB，阻帶[S21]在-38 dB以下時，測試結(jié)果滿足指標要求。

4 結(jié) 語

本文首先介紹了抽頭交指濾波器的設(shè)計原理，然后利用軟件仿真設(shè)計了一款濾波器，加工測試結(jié)果滿足指標要求，已應(yīng)用于某雷達接收機。這種設(shè)計方法設(shè)計快速、準確，具有較高的指導(dǎo)作用。

參考文獻

[1] LEE J， SARABANDI K. Synthesizing microwave resonator filters [J]. IEEE Microwave Magazine， 2009， 10（1）： 57?65.

[2] 吳國安，陳濤，湯清華.射頻帶通調(diào)頻濾波器的設(shè)計[J].華中科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，34（2）：30?32.

[3] 黃慰.交指型帶通濾波器的設(shè)計與研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2004.

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

[5] HONG Jiasheng， LANCASTER M J. Microstrip for RF/microwave applications [M]. New York： John Wiley & Sons Inc.， 2001.

[6] WONG J S. Microstrip tapped?line filter design [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique， 1979， 27（1）： 44?50.

[7] 趙智兵，趙國華，陳星.一種新型微帶交指帶通濾波器的設(shè)計[J].信息與電子工程，2008，6（2）：128?130.