一种悬置带状线带通滤波器的设计方法

王昕宇 王长虹

(1.新南威尔士大学,悉尼1466;2.南京海清科技有限公司,江苏 南京 210036)

0 引言

无线通信技术面临的最大挑战就是信息量大、频率资源有限,高性能的带通滤波器能够很好地解决相邻信道之间的互扰问题。

带通微波滤波器的种类很多,综合考虑滤波器的尺寸、技术指标和设计难度,本文主要研究悬置带状线带通滤波器的设计和仿真。发卡型滤波器是由Edward G.Crista和Sidney Frankel于1972 年首次提出。该滤波器是由发夹型谐振器交叉耦合而成,具有结构紧凑、易于制造等优点,能够在通带附近有限频率处产生传输零点,因而滤波器的带外抑制能力获得极大提高。文献[3]～[4]采用高低通滤波器级联的方式实现了2～18 GHz超宽带带通滤波器的设计方法;文献[5]～[6]介绍了4～8 GHz超宽带带通滤波器的设计思路和测试结果;文献[7]介绍了2～4 GHz超宽带带通滤波器的设计方法,并利用ADS软件对设计结果进行了优化。上述文献均介绍了超宽带滤波器的设计方法,对滤波器的带外抑制没有特殊要求。本文主要讨论窄带带通滤波器的设计和仿真,并对滤波器的带内插损和带外抑制提出了较高的要求。

1 滤波器设计

1.1 问题提出

本文考虑手机接收Wi-Fi信号的典型应用场景,3个干扰信号基站之间的距离各为1 km,每个干扰信号的发射功率均为20 W;路由器和手机之间的最大距离为10 m,路由器的发射功率为100 m W。参照我国通信信号频率分布情况,路由器工作带宽为2.4～2.5 GHz,最靠近的干扰信号工作频率为2.37 GHz和2.55 GHz,手机接收Wi-Fi信号场景如图1所示。

图1 手机接收Wi-Fi信号场景图

根据IEEE 802.11b 标准,为了满足通信系统传输误码率小于10的要求,接收机的信干比(SJR)必须大于10 dB。

通过计算手机接收端口的通信信号和干扰信号功率,为了保证手机能够可靠接收语音信号和图像信息,接收机输入端口的带通滤波器技术指标如表1所示。

1.2 带通滤波器设计

根据滤波器的设计理论,所有类型的滤波器均可映射成归一化的低通滤波器,因此带通滤波器的设计可以先从设计归一化低通滤波器原型开始,然后再映射成带通滤波器。通过MATLAB 仿真计算,满足表1指标的带通滤波器为5阶滤波器。

表1 微波带通滤波器技术指标

发卡型滤波器是由平行耦合线滤波器变形得来的,所以在计算发卡线的奇偶模特征阻抗时完全可以应用平行耦合线滤波器的求奇偶模阻抗方法来分析。

根据文献[8]～[10]可知,奇模和偶模的特征阻抗表达式为:

式中:为传输线特性导纳;为导纳倒置器的特性导纳。

式中:为滤波器的阶数;为原型低通滤波器参数;为相对带宽;的取值范围为0≤≤1。

根据以上公式,可以得出平行耦合线奇模和偶模特征阻抗的求解结果,如表2所示。

表2 平行耦合线奇偶模特征阻抗

本文采用罗杰斯5880 Duroid 基板设计滤波器,该基板的相对介电常数ε为2.22,空气层的高度为2.46 mm。根据文献[11]～[12]可知,罗杰斯5880滤波器的有效介电常数为:

同样也可以计算出发卡谐振器的长度:

式中:为光速;为滤波器中心频率。

根据低通原型滤波器参数表,可以计算出悬置发卡滤波器之间的耦合系数:

此外,也可计算出悬置发卡滤波器的外部品质因数Q 和发卡线的位置:

式中:为抽头线的特征阻抗;Z 为谐振器的特征阻抗。

考虑发卡滤波器的谐振线为U 型结构,假设U型悬置谐振器的底部电长度为10°,那么谐振器的臂长为80°。使用ADS LineCalc软件可以计算出每个U 型谐振器的线长、线宽和谐振器之间的间距,如表3所示。

表3 发卡滤波器的设计参数

2 仿真分析

依据前面滤波器的设计参数,采用ADS仿真软件,对设计的悬置型发卡带通滤波器进行仿真分析,得出和参数仿真结果,如图2所示。

图2 悬置线滤波器ADS仿真结果

从图2可以看出,设计的悬置发卡型滤波器的通带范围为2.4～2.503 GHz,在阻带频率为2.37 GHz 和 2.55 GHz处的衰减分别是-26.882 d B和-42.953 d B,满足设计要求。带通滤波器ADS仿真结果如表4所示。

表4 悬置发卡型带通滤波器仿真结果(ADS)

在ADS仿真的基础上,采用HFSS软件对该滤波器进行建模,悬置带状线发卡带通滤波器的模型图如图3所示。

图3 悬置带状线发卡带通滤波器HFSS模型图

采用HFSS仿真软件,对建模的悬置型发卡带通滤波器进行了仿真分析,得出和仿真结果,如图4所示。

图4 悬置带状线滤波器HFSS仿真结果

由图4的和仿真曲线可以看出,该滤波器的通带范围为2.402 3～2.496 6 GHz,在阻带频率2.37 GHz和2.55 GHz处,该悬置发卡滤波器的相对衰减量分别是-25.837 6 dB 和-41.794 3 d B,通带插入损耗衰减约为-1.0 d B。HFSS仿真结果如表5所示,满足设计要求。

表5 悬置发卡型带通滤波器仿真结果(HFSS)

我们选择的典型应用场景所需的带通滤波器具有体积小、插入损耗低、带外抑制能力强的特点,如果采用平行微带线和发卡型微带线进行设计,带内插损和带外抑制均不能满足使用要求。采用本文提出的悬置带状线滤波器的方法,经过ADS原理仿真和HFSS建模设计,所有指标均达到设计要求。

3 结束语

本文介绍了发卡型悬置带状线带通滤波器的基本原理和奇偶模特征阻抗计算方法,提出了窄带悬置带状线滤波器的设计方法。针对Wi-Fi接收机的典型应用场景,设计出了不同板材的悬置带状发卡型带通滤波器,根据ADS和HFSS仿真结果表明,悬置带状线发卡滤波器的各种性能指标均优于微带线发卡滤波器。其中,采用Rogers板材的悬置带状线带通滤波器具有体积小、插入损耗低、带外抑制性能好等优点,该型滤波器可广泛应用于各种接收机的射频前端,具有非常好的频率选择性。