应用于雷达接收机的宽阻带带通滤波器设计

蔡炜波++张晓发

摘 要： 介绍了交指型微带滤波器的基本设计原理，并利用ADS和HFSS软件仿真设计了通带为2.7～3.5 GHz的高陡峭度的宽阻带带通滤波器，并已应用于某雷达接收机。该方法虽然原理上基于传统公式计算、查表，但是充分利用了ADS软件强大的设计功能，直接由指标要求得到近似的尺寸，然后进行优化得到最终设计结果。测试结果表明，该方法可行有效，设计周期短，对雷达接收机滤波器设计有很强的工程指导作用。

关键词： 交指型滤波器； 宽阻带； 抽头式滤波器； 雷达接收机

中图分类号： TN713+.5?34 文献标识码： A 文章编号： 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

滤波器是雷达系统、电子对抗系统中不可或缺的重要部件，其性能的优劣往往会直接影响整个系统的质量。按其所用的传输线的类型来分，可分为波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器和微带线滤波器等。

目前为了适应微波器件体积小、性能高、成本低、加工简单的趋势，微带交指型滤波器是使用最广泛的滤波器方式之一。交指型滤波器在3倍频处有寄生通带[1]。

本文采用带通交指滤波器和低通滤波器级联的方式很好地解决了此问题，不仅结构紧凑，而且低通滤波器[Q]值低，易于实现，而且阶数少，使通带的插入损耗小。

1 设计原理

交指型结构是由平行耦合线阵通过相互交叉而形成，图1为终端短路抽头交指型滤波器的结构。每个谐振器的长度为[λg4]。滤波器各参数求解步骤如下[2]：

（1） 确定低通原型：根据滤波器的带宽、衰减、带内波纹等指标，选择适当的低通原型。确定滤波器的阶数[n]以及各阶电导参量。

对于切比雪夫终端短路式交指滤波器，滤波器的阶数[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]为阻带衰减的频率；[LAr]为通带衰减量的最大值；[LAs]为阻带衰减量的最大值。然后根据滤波器的阶数[N，]通过查表[4]得到电导[g1，g2，…，gn。]

（2） 求得耦合系数[K]和外部[Q]值：由电导[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） 求得枝节宽度[W、]枝节间距[S]和枝节长度[L，]枝节长度[L]一般为[λg4。]利用文献[6]中的尺寸与[K]值的关系，求得初始值[W]和[S。]

（4） 计算抽头馈电点[t]的值[7]：

[t=2Lπsin-1π2Z0ZrQe] （4）

式中：[Z0=50 Ω]为微带抽头线的特性阻抗；[Zr]为微带线谐振器无耦合情况下的特性阻抗；[Qe]为滤波器终端外界的品质因数。

2 滤波器的设计

本项目中带通滤波器设计指标如下：

通带：2.7～3.5 GHz，通带内衰减小于2.5 dB，[S11≤]

-15 dB，在2.2 GHz以下衰减大于20 dB，在5～12 GHz衰减大于35 dB。基板为Rogers4350，厚度为0.508 mm，尺寸小于20 mm×30 mm。

该滤波器的设计分为带通滤波器设计和低通滤波器设计两部分。

2.1 电路仿真

2.1.1 带通滤波器设计

由公式（1）计算出滤波器的阶数为7。利用ADS得到滤波器近似尺寸如图2所示。

将[W1～W7，][S1～S6，][L1，L2]设置为参数进行进一步优化。最终得到的滤波器尺寸为：

[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 低通滤波器的设计

考虑尺寸要求选择高低阻抗线形式，其指标如下：

通带：0～5 GHz，插入损耗小于1 dB；

阻带：7～12 GHz，抑制大于40 dB。

图3为低通滤波器电路。

将设计的交指带通滤波器与高低阻抗线低通滤波器级联，电路仿真结果如图4所示。

2.2 电磁仿真

根据电路仿真得到的尺寸在HFSS中建模，如图5所示。选择接地通孔的形式实行短路线的接地。

3 测试结果

由于镀金对耦合影响很大，故加工时表面不做任何工艺。加工实物如图7所示。

测试结果如图8所示。对1～15 GHz进行扫频，可以看出通带（2.7～3.5 GHz）[S21≥]-2.44 dB，[S11≤]-17 dB，在2.2 GHz处[S21≤]-20.15 dB，阻带[S21]在-38 dB以下时，测试结果满足指标要求。

4 结 语

本文首先介绍了抽头交指滤波器的设计原理，然后利用软件仿真设计了一款滤波器，加工测试结果满足指标要求，已应用于某雷达接收机。这种设计方法设计快速、准确，具有较高的指导作用。

参考文献

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

[2] 吴国安，陈涛，汤清华.射频带通调频滤波器的设计[J].华中科技大学学报：自然科学版，2006，34（2）：30?32.

[3] 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.

[4] 甘本袚，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京：科学出版社，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] 赵智兵，赵国华，陈星.一种新型微带交指带通滤波器的设计[J].信息与电子工程，2008，6（2）：128?130.