X波段Hairpin带通滤波器的设计

2012-05-12郭勇

山西电子技术 2012年4期

郭勇

(中航工业成飞企业培训部，四川成都610092)

滤波器是无线电通信系统中关键的无源器件，微波带通滤波器是其中重要的一类，得到了广泛的研究和应用，比如腔体滤波器、微带平行耦合带通滤波器、Hairpin型带通滤波器、发夹型滤波器等等。微波无线通信已经经历了大半个世纪的发展，频率资源的使用和开发不断深入，也变得越来越紧张，尤其是卫星通信系统中，对带内插损低、带外抑制高的高性能带通滤波器需求越来越高，同时，小型化也是需要重点考虑的方面。Hairpin滤波器应用广泛，能够满足无线电发展对滤波器的性能的要求。

图1 Hairpin滤波器的示意图

本文通过对Hairpin滤波器结构的分析，设计了一款在X波段应用的微带抽头式宽带带通滤波器，并且通过ADS软件的设计，得到了符合指标要求的滤波器电路(如图1)，然后用不同的设计软件进行验证。

1 Hairpin滤波器设计理论

在微带的结构中，Hairpin滤波器利用λ/2平行耦合线谐振器构成滤波器，为达到减小滤波器尺寸的目的，一般将耦合线变为“U”形或“S”形的结构，图1所示为“U”形。虽然这样的滤波器和λ/4平行耦合微带滤波器一样，一般不具有抑制谐波的特性，但这种结构可以利用其结构的特殊性实现非相邻谐振器之间的耦合，以实现在通带附近产生传输零点，比起平行耦合的结构，能够大幅提高滤波器的频率选择性［1］。

本文所设计的Hairpin滤波器如图1所示，从结构中可以看到，相邻的两个“U”形结构谐振器相互耦合构成了谐振单元。按照一般的实际流程，首先是根据设计的指标要求选择合适的低通滤波器原型，得到导纳J变换器的值，然后利用这些值，求出微带耦合线的奇偶模阻抗Zoe和Zoo，再通过仿真软件计算出耦合线的线宽、长度和缝宽，以此得到滤波器的实现尺寸［1－4］，接下来在仿真软件中进行优化，得到最后的结果。

假设一段耦合线的终端开路，其电长度为θc，那么它可等效为一个J变换器和接在两边的两段传输线的组合，传输线的电长度为θc，特性导纳为Y0。然后可以求出耦合微带单元的A矩阵A1和等效电路的A矩阵A2，由A1=A2，θc=π/2，可以求得:

其中，gi为低通原型滤波器的元件值;W为滤波器的相对带宽。同时，滤波器的馈电抽头的位置L可由下式估算［4］:

式中，R表示源内阻，a表示滤波器发夹的臂长，为λg/4。

其中，λ0为滤波器中心频率的自由空间传播波长，εre基片材料的有效介电常数，h为基片厚度，w为微带线线宽。

2 滤波器的设计

指标要求:通带:8～10 GHz，插损大于10 dB，在7 GHz和11 GHz处的带外抑制达到30 dB，基片材料选取rogers RO4350，介电常数为 3.66，厚度为 0.5 mm。

根据指标要求，选用切比雪夫原型滤波器来设计，通过前面所讲的公式可以大致确定各尺寸的初值，接下来在ADS中进行仿真和优化。在原理图仿真中，以各物理尺寸为优化变量，从图1可以看出，滤波器的耦合线宽度、缝宽，连接耦合线的传输线长度各不相同，但是滤波器左右对称，使得仿真设置更加方便。由于路放的结果和场仿的结果有一定的偏差，所以在设定优化目标时一般要提高指标。

然后进入layout对优化好的电路进行电磁仿真，同时调整优化变量以满足要求，最后得到ADS中电磁仿真的结果，如图2。

由图2可见，带内插损达到18 dB，在7 GHz处的带外抑制为39 dB，在11 GHz处为33 dB，都符合要求。由于在ADS仿真中没有添加损耗角正切，铜片厚度等损耗因子，所以结果并不符合实际。将电路导入HFSS软件中，根据加工厂的工艺技术，设计铜片厚度为0.017 mm，重新进行仿真，并适当调整优化变量。最后的仿真结果如图3。