X波段发夹型带通滤波器设计

黄应千，胡天涛

（贵州航天计量测试技术研究所，贵州 贵阳550009）

微波滤波器作为一种重要的选频器件，已经应用在任何类型的微波通信、雷达测试或者是测量系统中［1］。目前常用的微波滤波器结构有：平行耦合线结构；交指型结构；梳状线结构；发夹型结构等［2］。发夹型滤波器耦合线终端开路，无需过孔接地，减小了误差，而且具有高带外抑制性能。

本文根据滤波器设计基本原理，通过ADS软件仿真、优化，设计了通带为X波段（10.8 GHz～12 GHz）的微带发夹型滤波器，介绍了微带滤波器的设计方法。

1 滤波器设计原理

发夹型滤波器通过半波长的u型谐振单元排列而成，每个谐振器臂长约为1／4波长，采用抽头线的馈电方式［3］。发夹型滤波器的性能主要由谐振器臂长、谐振单元间距、线宽和抽头位置来决定［4］。

1.1 滤波器参数计算

滤波器设计指标：通带为10.8 GHz～12 GHz，在8 GHz处 衰 减 大 于60 dB，13.5 GHz处 衰 减 大 于45 dB，基板选用Rogers R04350。

滤波器参数计算流程如图1所示。

图1 滤波器参数计算流程

1.2 计算步骤

滤波器中心频率为11.4 GHz，带宽为1.2 GHz。相对带宽δ＝1.2／11.4＝10.5%。滤波器在8 GHz处的衰减大于60 dB。

8 GHz归一化以后的低通形式为

13.5 GHz归一化以后的低通形式为

根据归一化后的低通形式和衰减值查表确定滤波器阶数，根据阶数确定滤波器元件值。

耦合传输线奇模偶模和奇模线阻抗为

其中倒相器常数ZJn计算公式为：

式中，N 为滤波器阶数；g1、g2、…、gN＋1为滤波器元件值。

2 发夹型滤波器设计

2.1 设计指标

滤波器通带为10.8 GHz～12 GHz，在8 GHz处衰减大于60 dB，13.5 GHz处相对衰减大于45 dB。基板选用 Rogers R04350，板厚为0.254 mm，介电常数为3.48。

2.2 滤波器结构

根据指标，以及通过查表确定了7阶等纹波元件值。g1＝g7＝1.7372，g2＝g6＝1.2583，g3＝g5＝2.6381，g4＝1.3444，g8＝1。

根据公式（3）～（7）计算出耦合传输线偶模阻抗以及奇模阻抗，通过ADS软件中LineCalc工具，可以计算出各耦合传输线线长l、线宽w、间距s。由于在计算过程中存在一定误差，往往导致仿真结果和理论上存在误差。在对常数变量化以后，ADS具有优化仿真功能，使仿真结果更加理想。

根据以上分析，在ADS中建立了原理图，如图2所示。

通过计算和ADS优化仿真，确定了发夹型滤波器谐振单元臂长、线宽、间距以及抽头位置。原理图中：l＝3 mm、l1＝0.87 mm、l2＝1.1 mm、l3＝1.1 mm、l4＝1.1 mm、s1＝0.1 mm、s2＝0.2 mm、s3＝0.22 mm，抽头位置为0.25 mm。

2.3 版图仿真

通过原理图优化仿真后，生成版图，进行了版图仿真，发夹型滤波器版图如图3所示。

图2 7阶发夹型滤波器原理图

图3 发夹型滤波器版图

生成版图后进行了版图仿真，仿真结果如图4。根据仿真结果可以得出，滤波器中心频率基本为11.4 GHz，带宽为1.2 GHz，在8 GHz处插入损耗为－60 dB，在13.5 GHz处插入损耗为－56 dB。

图4 发夹型滤波器版图仿真结果

3 发夹型滤波器实物测试

实物图如图5所示。

使用矢量网络分析仪进行了测试，得到S21测试曲线。根据仿真结果可以得出，滤波器中心频率基本为11.4 GHz，带宽为1.2 GHz，在8 GHz处插入损耗为－72 dB，在13.5 GHz处插入损耗为－50 dB。图6为仿真值和实测值对比，两者在中心频率、带宽基本一致。

图5 发夹型滤波器实物图

图6 发夹型滤波器测试结果

4 结束语

ADS原理图优化仿真和版图仿真可以较为便捷地应用在滤波器仿真设计中，设计时通过原理图仿真达到甚至优于指标要求后，进行版图仿真。ADS版图仿真结果与实测结果基本一致。此外ADS仿真速度相对较快，缩短了设计周期，提高了效率。