一種新型超寬帶集總濾波器的設(shè)計(jì)

厲建國

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

隨著超寬帶無線通信技術(shù)的發(fā)展，超寬帶濾波器作為關(guān)鍵器件之一得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并獲得了快速發(fā)展。

由于相對帶寬較寬，傳統(tǒng)的濾波器綜合法難以設(shè)計(jì)出符合工程實(shí)用要求的超寬帶濾波器[1]。超寬帶濾波器在實(shí)現(xiàn)形式上主要有三種：高通濾波器+低通濾波器、高通濾波器+帶阻濾波器、帶通濾波器等。

工程中多采用高通濾波器與低通濾波器直接級(jí)聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)超寬帶濾波器，當(dāng)FH/FL過大（即下截止頻率FL較低而上截止頻率FH較高）時(shí)，高通濾波器的懸空節(jié)點(diǎn)和集總元件自身的寄生參數(shù)會(huì)嚴(yán)重影響通帶特性。本文介紹的超寬帶濾波器采用低通+高通+低通的結(jié)構(gòu)形式，通過電路結(jié)構(gòu)變換并對元件值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以較好的解決這些問題。

1 雙端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)分析

雙端口網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流基本定義[2]如圖1所示。

根據(jù)圖1 可以定義雙端口網(wǎng)絡(luò)的ABCD 參量矩陣（級(jí)聯(lián)矩陣）：

依據(jù)（1）式可求得圖2所示串聯(lián)阻抗元件二端口網(wǎng)絡(luò)的ABCD 參量，見（2）式。

同樣，依據(jù)（1）式亦可求得圖3所示并聯(lián)阻抗元件二端口網(wǎng)絡(luò)的ABCD 參量，見（3）式。

微波電路通常采用簡單網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)方式構(gòu)成。因此，推導(dǎo)出簡單雙端口網(wǎng)絡(luò)的ABCD 參量表達(dá)式是非常重要的，這些雙端口網(wǎng)絡(luò)可用來構(gòu)成更復(fù)雜電路的基本單元。

ABCD 參量亦適合于描述級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[2]，如圖4所示的兩個(gè)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，第1 個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸出電流與第2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸入電流在數(shù)值上相等，符號(hào)相反（即）；第1 個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸出端口的電壓降 等于第2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸入端口的電壓降，也就是。

因此，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)形成新網(wǎng)絡(luò)的ABCD 參量矩陣等于這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)ABCD 參量矩陣的乘積。依據(jù)電壓、電流定義的相應(yīng)關(guān)系，可直接求解網(wǎng)絡(luò)參量之間的變換關(guān)系，本文不再贅述。

圖1：雙端口網(wǎng)絡(luò)

圖2：串聯(lián)阻抗元件雙端口網(wǎng)絡(luò)

圖3：并聯(lián)阻抗元件雙端口網(wǎng)絡(luò)

圖4：兩個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)

圖5：原型電路

圖6：引入懸空節(jié)點(diǎn)寄生參量

2 電路仿真設(shè)計(jì)

圖7：電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖8：S 參數(shù)仿真曲線

圖9：實(shí)測S 參數(shù)曲線

2.1 原型電路選取

選取切比雪夫函數(shù)型濾波器，它在通帶內(nèi)具有等紋波特性，過渡帶陡峭且阻帶單調(diào)下降，阻帶抑制高。為了使高、低通電路級(jí)聯(lián)后產(chǎn)生的懸空節(jié)點(diǎn)最少，選取T 型高通原型網(wǎng)絡(luò)和π 型低通原型網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

2.2 懸空節(jié)點(diǎn)的處理

高通濾波器不可避免的存在懸空節(jié)點(diǎn)，由于本文設(shè)計(jì)的超寬帶濾波器上截止頻率較高（FH為3.1GHz），實(shí)際制作時(shí)懸空節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的寄生參量將嚴(yán)重影響通帶特性，使帶內(nèi)插損變大、回波損耗惡化。因此，要得到較好的通帶頻響特性，需將懸空節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的寄生參量CP帶入電路中（如圖6所示），然后對其它元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以得到易于工程實(shí)現(xiàn)的元件值。

2.3 電路仿真和優(yōu)化

使用微波電路仿真軟件進(jìn)行整體電路設(shè)計(jì)，電路輸入輸出端采用感性匹配網(wǎng)絡(luò)，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

經(jīng)過微調(diào)和優(yōu)化元件值得到的S 參數(shù)仿真曲線如圖8所示，其中1dB 帶寬范圍為100MHz 至3100MHz，帶內(nèi)回波損耗在-24dB以下，在4.4GHz 處抑制大于50dBc。

3 測試結(jié)果與分析

通過上述的仿真與分析，對整個(gè)濾波電路進(jìn)行合理的版圖布局，將整個(gè)電路集成在38mm×13mm×13mm 的屏蔽金屬封裝中，經(jīng)測試性能良好。實(shí)測結(jié)果如圖9所示。

從實(shí)測曲線可看出，濾波響應(yīng)達(dá)到預(yù)定要求，與設(shè)計(jì)基本吻合，而且阻帶特性良好，從4.4GHz～8.5GHz 衰減大于50dB。該設(shè)計(jì)方法較為靈活，具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)方法簡單；

（2）結(jié)構(gòu)簡單，體積?。?/p>

（3）易裝配調(diào)試，工程實(shí)用化強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配調(diào)試、具有良好的通帶和阻帶特性的超寬帶帶通濾波器。通過在高通濾波器的輸入和輸出端各級(jí)聯(lián)一個(gè)低通濾波器并經(jīng)過適當(dāng)?shù)碾娐纷儞Q和仿真優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了超寬帶濾波。通過設(shè)計(jì)仿真和實(shí)例制作，證明了該方法可行且實(shí)用。目前，正逐步地應(yīng)用于各種超寬帶微波通訊系統(tǒng)中。