新型小型化宽带悬置微带滤波器的分析与设计

夏运强, 唐 涛, 陈钉均

(1.成都信息工程学院电子工程学院,四川成都610225;2.四川省高等学校数值仿真重点实验室,四川内江641112)

1 引言

滤波器是无线通信中的一种关键部件,随着航天、雷达和通信技术的发展,对滤波器提出了小型化、宽频带、低插损等要求。目前实现滤波器小型化主要手段主要有：利用微波有源电路做成微波单片集成(MMIC)有源滤波电路;采用高介电常数材料减小传导波长,进而减小谐振器长度。在当前情况下,这2种方法均难实现带内插损低带外抑制高的要求[1]。

文中将采取改进滤波器传输线的方法。若采用腔体结构,滤波器尺寸太大;若采用标准微带线结构,其插损又将增大。而采用悬置微带传输线的方式,将有效减小滤波器尺寸,降低其插入损耗,并且采用终端开路的交指结构,可以实现滤波器的宽频带设计要求。把悬置微带线等效成带状线,在此基础上设计出终端开路的交指滤波器结构,最后利用电磁场全波仿真软件,对设计出的滤波器的电磁特性进行了具体分析。

2 悬置微带交指滤波器设计原理

2.1 带状线理论

在微波滤波器中最常用的带状线,是所谓“对称带状线”(或称“夹心线”),是由距离为 b的两接地板和中心导带(厚度为t,宽度为w)所组成[2,3],其结构如图1所示。

对于同一种均匀介质,矩形中心导带的带状线的特性阻抗Z0与 t/b及w/b的大小有关。

2.2 悬置微带线理论

悬置微带线是将导体带条敷于薄介质片上而悬挂在接地板上面的空间,如图2所示。从图示的结构可知,这种微带线的大部分电力线将集中在空气中,因而介质引入的影响小,整个空间的介电常数接近于1,在构成耦合微带线时,奇偶摸相速的不一致性也有所减小,传输线的Q值提高了,有利于用作滤波器、谐振腔等电路元件[4]。

图1 带状线结构

图2 悬置微带线结构

若悬置微带线结构中的a+h=c,则悬置微带线相当于填充了某种介质的对称带状线。在w＞＞h(即边缘场的作用不大)时,可用下列公式计算介质的有效介电常数[5]：

由a+h=c,a+h+c=b可得b=2c,那么根据式(1)可得

2.3 交指滤波器理论[2-3]

交指滤波器是指由平行耦合线谐振器阵交叉组成的结构,多用作慢波系统。但近年来研究表明,它具有优良的带通特性,具有如下优点：(1)结构紧凑,可靠性高;(2)每谐振器间距较大,公差要求低,容易制造;(3)由于谐振杆长度近似等于1/4波长,所以第二通带中心在3ω0以上,其间没有寄生通带;(4)既可作成印刷电路形式,又可作成腔体结构。因此,交指滤波器在电子系统,尤其在通信技术及近代航空航天领域中被广泛使用。

终端开路交指滤波器如图3所示,这种结构从杆1到杆 n(包括两终端杆在内)都是用作谐振器,因此对于n个电抗元件低通原型,只要n个杆就能实现。

终端开路交指滤波器结构能实现宽带滤波器的设计要求,在交指滤波器中,由于杆端分布电容的影响,谐振器实际长度比1/4波长略短,如果人为地加强端电容,将使谐振器杆变得更短,而成为电容加载交指型滤波器。

2.4 终端开路交指滤波器的设计公式[2]

用变换式选定低通原型的元件数目 n,从而求出元件数值gk,ω′1。然后计算

图3 终端开路滤波器结构图

接下来计算每个杆的归一单位长自电容：

式中ε是介电常数,εr是相对介电常数。h是导纳比例因数,选定它以得到方便的导纳水平。

而两相邻杆间的归一化单位长互电容可以通过下式进行计算：

需要说明的是,以上计算公式只适用于带状线滤波器。

3 滤波器设计过程

设计的滤波器主要针对应用广泛的S波段,其技术指标如下：通带2-4GHz,中心频率 f0=3GHz,相对带宽BW=67%,带内插损小于1.5dB,在fs=5GHz处衰减大于40dB。滤波器采用悬置微带传输线,结构采用终端开路交指形式,传输函数采用切比雪夫型。

滤波器设计步骤如下：

(1)基片选取Roges4350,εr=3.48,厚度 h=0.508mm,铜箔厚度 t=0.018mm,下腔高度 a=2mm,则上腔高度c=a+h=2.508mm。

根据式(2)可得悬置微带线的有效介电常数εe=1.08,这样悬置微带线就转换为了带状线。

(2)用变换式确定滤波器阶数n=7。

(3)根据终端开路交指滤波器设计公式,计算出悬置微带线滤波器的初值如下：

杆长P=22.5mm,杆到腔壁距离d=1mm

各杆的宽度 W和各杆间的缝隙S分别为：W1=2.76mm,S12=0.15mm;W2=0.58mm,S23=0.80mm;W3=1.00mm,S34=0.90mm;W4=1.00mm。最终设计出的滤波器结构如图4所示。

(4)仿真验证

采用美国Ansoft公司的HFSS对滤波器电磁特性进行三维电磁场仿真,HFSS采用的是有限元法(FEM),对于天线、滤波器等微波无源器件的仿真非常准确。图5所示为HFSS仿真所得的滤波器传输特性曲线。从图5可以看到,该滤波器在2-4GHz内具有很好的带通特性,在f≥5GHz时,其衰减已经大于40dB,满足设计要求。

图4 滤波器结构图

图5 滤波器HFSS仿真曲线

4 滤波器的测试和分析

根据HFSS仿真结果加工出悬置微带滤波器,滤波器整体尺寸为：30mm×30mm×20mm,如图6所示。利用R&S矢量网络分析仪ZVB20对设计出的滤波器进行测试,得到滤波器的S11和S21曲线,其结果如图7所示。

从图7也可以看出,滤波器已经满足了设计带宽要求,带内插损小于1.5dB,5GHz处衰减为51dB,大于40dB的设计要求。由于加工的精度影响,实测的反射曲线比仿真结构稍差一些,仿真的回波损耗12dB,实测的回波损耗10dB。如果抛开加工精度等人为因素的影响,实测所得的结果与仿真结果还是符合得很好的。

图6 滤波器实物

图7 滤波器实测曲线

5 结束语

介绍了悬置微带滤波器的设计方法,根据这些方法,从理论分析和电磁仿真的角度设计出了一种新的具有交指结构的悬置微带线滤波器。实验结果表明,这种滤波器具有小型化、宽频带、低插损的特点,在移动通信和微波通信领域中将有着十分广泛的应用前景。

致谢：感谢成都信息工程学院校选科研项目(CRF201102)对本文的资助。

[1]高戟,苗敬峰.一种新型悬置微带滤波器设计[J].微波学报,1998,14(4)：360-365.

[2]黄慰.交指型带通滤波器的设计与研究[D].成都：西南交通大学,2004.

[3]马行军.交指型带通滤波器的设计[D].西安：西安电子科技大学,2007.

[4]J S Hong,M J Lancaster.Microstrip Filters for RF/Microwave Applications[M].New York：JOHN WILEY&SONS,INC,2001.

[5]Makimoto M,S Yamashita.Microwave Resonators and Filters for Wireless Communications-theory and Design[M].Berlin：Springer-Verlag,2001.