Ka频段平行耦合微带线滤波器的设计与实现

闫书保

（广州海格通信集团股份有限公司，广州 510663）

Ka频段平行耦合微带线滤波器的设计与实现

闫书保

（广州海格通信集团股份有限公司，广州 510663）

0　引言

在微波射频电路中，滤波器是一种应用非常广泛的无源器件。它的主要作用是抑制无用信号，只让有用的信号通过。在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响。滤波器性能的好坏，直接决定了整个射频链路性能的好坏。平行耦合微带线带通滤波器具有体积小、带外抑制好和设计方便等特点而被广泛地应用于各种射频通信系统中。

1　基本原理

在射频链路的微带滤波器中，最常用的就是平行耦合微带线滤波器。它由平行的耦合微带线组成，构成一个谐振电路，由于两个传输线之间电磁场的相互作用，在两个传输线之间会产生功率耦合，使得射频信号通过，阻断不需要的信号。

从理论上而言，平行耦合微带线带通滤波器是由多段四分之一波长耦合线段通过紧密耦合形成的。因此，本文首先分析单个四分之一波长耦合线段的滤波器特性，然后在进一步说明如何利用这些耦合线段来设计一个带通滤波器。单个平行耦合线段的结构如图1所示。

图1　单个平行耦合线段结构

单个平行耦合线段，可以看成一个二端口网络，具体方法是将四个端口中的两个在终端看成开路或短路。由于在实际制作中，微带开路线要比短路线更容易实现，因此，对于带通滤波器而言，可以将图1的两端口网络中带箭头的两个端口视为开路。这样，该单个平行偶尔会线段的近似等效电路模型如图2所示。

该等效电路可以用ABCD矩阵参数来表示，如式（1）。

导纳倒相器的ABCD参量可以将它考虑成为特征阻抗是1/J的四分之一波长传输线段得到，此时，该等效电路的镜像阻抗为：

因为传输线的长度为四分之一波长，所以θ=90°，通过上面的矩阵参数，可以推导出传输线的奇模阻抗和偶模阻抗，分别如式（3）和式（4）所示。

单个平行耦合线段虽然具有带通滤波器的特性，但是其不具备良好的带通特性和带外抑制。因此，要通过多段平行耦合线段单元来构成实用的滤波器。N+1段平行耦合线带通滤波器结构如图3所示。

图2　单个平行偶尔会线段的近似等效电路模型

图3　N+1段平行耦合微带线滤波器结构图

根据奇偶模阻抗的理论，我们可以得到有N+1段平行耦合微带线滤波器的设计公式如式（5）、式（6）和式（7）所示。

其中，gn代表原型值，这个值可以通过查表来得到。Δ为滤波器的相对带宽，其表达式如式（8）所示：式（8）中，ω2，ω1和ω0分别为滤波器的上下工作频率和中心频率。

2　滤波器的仿真与设计

本文要设计的带通滤波器，其工作频率为Ka频段，带外对系统本阵的抑制要有-25dB以上。对于该类型的滤波器而言，级联的级数越多，其带外抑制效果越好，但是其尺寸也较大。综合考虑各方面的因素，本滤波器采用7级平行耦合微带线来实现。

已知了滤波器的工作频率和级数，就可以确定相关参数。其中，Δ=0.07843。这里的gn采用最平坦低通滤波器原型的元件值。gn值如表1所示。

表1　gn的值

有了gn的值和的值，根据公式（3）、公式（4）、公式（5）、公式（2）和公式（1）就可以求出各级平行耦合微带线的奇模阻抗和偶模阻抗，其值如表2所示。

表2　各级平行耦合微带线的奇模阻抗和偶模阻抗的值（单位：欧姆）

滤波器的介质基材采用Rogers5880高频板，其厚度为0.254mm，相对介电常数为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带线的长度L、宽度W和间距S，具体的结果如表3所示。

表3　每级微带耦合线的长度L、宽度W和间距S数值表

依据表3得到的微带耦合线的具体尺寸，用HFSS建模，7级平行耦合微带线带通滤波器的HFSS模型如图4所示。

图4　7级平行耦合微带线带通滤波器的HFSS模型

在具体的建模时，为了获得良好的阻抗匹配性能，在平行微带耦合线滤波器的两端添加了阻抗变换部分，经过HFSS仿真优化，其仿真结果如图5所示。

图5　HFSS仿真结果

从图5可以看出，该滤波器的回波小于-20dB，差损小于0.3dB。通过HFSS建模仿真可以发现，每一级微带线的宽度，间距和长度对仿真结果的影响是不同的。当调整第一级微带线的间距时，不但可以调整回波的好坏，还可以调整滤波器通带内的波纹。第二级微带线的间距主要影响滤波器的工作带宽和带外抑制。调节微带线的长度，这个主要影响滤波器的中心频率，因为根据平行耦合微带线滤波器的原理，其工作频率跟其四分之一波长是对应的。当调整微带线的宽度时，可以对回波进行调整。因此，为了达到较好的仿真效果，在掌握了各种参量对仿真结果的影响之后，主要利用HFSS的优化工具来进行仿真优化。

3　滤波器的实测与分析

将优化后的HFSS模型导出成DXF格式，然后在利用DXP软件进行PCB绘制。从仿真中来看，微带线的宽度，间距和长度等变量对仿真结果影响较大，因此在PCB委外加工的时候，一定要向厂家提出较高的加工精度，这样才能保证加工出来的PCB的质量。为了对该频段的滤波器进行测试，我们专门加工了用于测试的夹具（微带波导转换器），如图6所示。

图6　滤波器测试夹具

平行耦合微带线滤波器的印制板实物如图7所示。

图7　印制板实物

采用图6所示的测试夹具对滤波器进行测试，其回波测试结果如图8所示，通频带特性测试结果如图9所示。

从测试结果看，该滤波器的回波在-20dB以下，通带内差损约为6dB，对本阵处的带外抑制达到-30dB，达到了当初设计的预期目标。对滤波器的实际测试的结果来看，差损比仿真时变差许多，这主要由两方面造成的，一是测试夹具，它的差损本身较大，约为2dB，一是滤波器印制板的加工精度造成的。

4　结语

本文以HFSS仿真软件和平行耦合微带线的基本理论为依据，并利用ADS关于奇模阻抗和偶模阻抗的计算工具，设计了一款应用于Ka频段的带通滤波器。利用HFSS软件进行仿真，大大提高了设计的精度和效率。对该滤波器进行实际测试，其回波小于-20dB，差损约为6dB，带外对本阵的抑制达到30dB，达到了实用的要求，可用于相关频段的射频链路中。

图8　滤波器回波测试结果

图9　滤波器通频带特性测试结果

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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

闫书保（1981-），男，河南南阳人，研究生，从事领域为功放研发工作、卫星通信方面的研发工作

2015-07-25

2015-08-01

平行耦合微带线滤波器是一种在微波电路中广泛应用的带通滤波器。设计一种应用于Ka频段的平行耦合微带线滤波器。为了保证滤波器的性能，采用HFSS仿真和奇偶模阻抗原理相结合的方法，仿真结果和实测表明，该滤波器的指标均达到预期要求。

平行耦合微带线滤波器；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.