基于耦合线加载开路枝节的宽带带阻滤波器设计

史春蕾,任禹,于佳鸣,马振洋,田毅

(中国民航大学安全科学与工程学院,天津 300300)

随着电子技术的发展,飞机运行的电磁环境日益复杂,机载电子系统、设备的电磁干扰问题对飞机的安全影响已不容忽视[1]。能够阻隔无用信号的带阻滤波器是民航通信、导航等航电系统、设备电磁干扰防护较为常用的方法之一。兼容PCB 工艺的小型化带阻滤波器是目前的研究热点。

目前国内外关于带阻滤波器的设计主要采用阶梯阻抗谐振器[2-3]、缺陷地[4-5]、耦合线[6-13]等结构。阶梯阻抗谐振器可以增强带阻滤波器的阻带衰减,但阻带带宽较小[2-3]。缺陷地结构能够有效降低带阻滤波器的通带回波损耗,且电路尺寸较小,但阻带带宽仍较窄[4-5]。耦合线结构作为带阻滤波器的主要传输机构能够引入多个传输零点,并且通过加载枝节可以拓宽阻带带宽,然而电路尺寸较大、阻带带内抑制效果较差[6-11]。

本文基于耦合线提出了一种新型的微带带阻滤波器结构,在输入输出端各引入一对单端接地耦合线,在中间微带传输线上加载三个开路枝节。该滤波器阻带范围可控,阻带内抑制良好,电路尺寸小。实物加工测试结果与仿真结果吻合良好,阻带中心频率为2 GHz,20 dB 阻带带宽为84.5%(1.24～2.93 GHz),可用于滤除蓝牙、WIFI 以及部分通信频段的电磁干扰。

1 滤波器的传输线模型

本文提出的微带带阻滤波器由单端接地耦合线加载开路枝节构成。图1 为带阻滤波器的等效传输线模型,其中Y0o、Y0e和θ1分别表示耦合线的奇偶模导纳和电长度,Y2、Y4和θ2、θ4分别表示微带线的导纳和电长度,Y3、θ3分别表示开路枝节的导纳和电长度。

图1 带阻滤波器等效传输线模型Fig.1 Equivalent transmission line model of the bandstop filter

1.1 单端接地耦合线

四端口平行耦合线的基本结构图如图2 所示,其输入导纳矩阵可表示为:

图2 四端口耦合线Fig.2 Four-port coupling lines

式中:Ii(i=1,2,3,4)为耦合线的端口电流;Ui(i=1,2,3,4)为耦合线的端口电压。

当四端口耦合线2 端口和3 端口开路、4 端口短路时,其电路结构如图3 所示。此时I2=I3=0,U4=0,将其代入公式(1)中,化简后可以得出单端接地耦合线输入导纳Yinc:

图3 单端接地耦合线Fig.3 Coupling lines with single-ended ground

1.2 奇偶模分析

图1 的微带带阻滤波器等效传输线模型是对称结构,可以采用奇偶模分析方法分析其频域特性。滤波器的奇模等效传输线模型和偶模等效传输线模型分别如图4 和图5 所示。

图4 奇模等效电路Fig.4 Odd-mode equivalent circuit

图5 偶模等效电路Fig.5 Even-mode equivalent circuit

滤波器的奇模输入导纳Yino为:

滤波器的偶模输入导纳Yine为:

则滤波器的奇模和偶模散射参数为:

因此,带阻滤波器的散射参数可表示为:

对于理想无耗带阻滤波器,在阻带内S21=0,即:

在通带内S11=0,即:

1.3 滤波器特性

当Zinc=0,θ1=90°时,单端接地耦合线将滤波器的输入和输出端短路,通过公式(3)可得到两个传输零点:

式中:f0是带阻滤波器的中心频率。

当S21衰减3 dB 时,由公式(15)可得到两个-3 dB频点:

则带阻滤波器的阻带3 dB 相对带宽FBW 可表示为:

实际滤波器通带到阻带的过渡带衰减斜率slope(dB/GHz)可表示为:

综上可知,滤波器的阻带相对带宽主要由耦合线的奇模和偶模导纳决定,微带传输线、开路枝节会影响通带到阻带的过渡带衰减斜率。与此同时,开路枝节与微带传输线的阻抗不匹配会影响滤波器的通带特性。

2 滤波器的设计优化

本文采用Rogers RO4003C 基片,相对介电常数为3.55,厚度为0.813 mm,根据图1 传输线模型,设计一款紧凑型带阻滤波器,滤波器的指标为: 阻带范围1.2～2.8 GHz,20 dB 衰减的阻带相对带宽达到80%以上。

采用四分之一波长设计滤波器,即θ1=θ2=θ3=θ4=90°,令中心频率为f0=2 GHz,耦合线的导纳Y0e=1/122 S,Y0o=1/58 S,开路枝节的导纳Y3=1/28 S,微带传输线的导纳Y2=1/82 S,Y4=1/92 S,运用上述公式初步计算滤波器的-20 dB 衰减的阻带相对带宽约为78%。

在保证阻带相对带宽的基础上,采用HFSS 软件建立如图6 所示滤波器结构模型,通过折弯微带传输线和开路枝节令滤波器的结构紧凑,实现小型化。使用ADS 软件搭建的传输线模型(如图1)与HFSS 软件建立的结构模型的仿真结果对比如图7 所示。仿真结果表明,紧凑结构的滤波器相比理想模型,阻带相对带宽变大,阻带带内特性良好,但通带特性变差。

图6 带阻滤波器结构图Fig.6 Structure of the bandstop filter

图7 滤波器的传输线模型和结构模型仿真结果Fig.7 Simulation results of transmission line model and physical structure model of the filter

图8 为带阻滤波器及其奇偶模的S参数比较,fL和fH分别表示带阻滤波器3 dB 衰减的低频点和高频点。在图8(a)中,奇模和偶模的低频点fLo和fLe的均值等于带阻滤波器的fL,而奇模和偶模的高频点fHo和fHe的均值与带阻滤波器的fH存在5%的频偏。在图8(b)中,奇模和偶模的低频点fLo和fLe的均值等于带阻滤波器的fL,而奇模和偶模的高频点fHo和fHe的均值与带阻滤波器的fH存在3%的频偏。

图8 带阻滤波器及其奇偶模的S 参数比较。(a) S11;(b) S21Fig.8 S-parameter comparison of the bandstop filter and its odd-and even-modes.(a) S11;(b) S21

图9 和图10 给出了在fL和fH频点处滤波器的表面场分布。由图9 可知,fL时滤波器的表面场分布主要集中在单端接地耦合线。由图10 可看出,fH时滤波器表面场分布主要集中在与中间的开路枝节连接的中间两根微带线。

图9 fL频点的表面场分布Fig.9 Surface field distribution at fL

图10 fH频点的表面场分布Fig.10 Surface field distribution at fH

采用HFSS 软件仿真分析了耦合线以及中间微带线的结构尺寸变化对滤波器的S21的影响(如图11～18),从而进一步优化滤波器尺寸。

图11 不同L2的S21比较Fig.11 Comparison of S21with different L2

图12 不同g1的S21比较Fig.12 Comparison of S21 with different g1

图13 不同W3的S21比较Fig.13 Comparison of S21with different W3

图14 不同L18的S21比较Fig.14 Comparison of S21 with different L18

图15 不同L19的S21比较Fig.15 Comparison of S21 with different L19

图16 不同L20的S21比较Fig.16 Comparison of S21with different L20

图17 不同L24的S21比较Fig.17 Comparison of S21with different L24

图18 不同W5的S21比较Fig.18 Comparison of S21with different W5

(1)当微带线的L20、L24、W5以及耦合线的W3、g1增大时,对阻带中心频点没有影响,阻带衰减变化幅度较小,但阻带宽度减小,带外高频处插损增大。

(2)当耦合线的L2增大时,阻带的fL基本不变,fH减小;而当微带线的L18、L19增大时,阻带的fL减小,fH基本不变,且当L19增大时,阻带衰减减小,带外高频处插损增大。

3 滤波器的实测与分析

通过HFSS 软件仿真优化后的带阻滤波器尺寸如表1 所示。带阻滤波器加工后的实物图如图19 所示,整体尺寸为37.16 mm × 34.48 mm (0.24λg×0.23λg),其中λg是阻带中心频率2 GHz 对应的波长。

表1 滤波器的结构参数Tab.1 Structure parameters of the filter mm

图19 滤波器实物图Fig.19 Photograph of the filter

采用矢量网络分析仪N5320 对滤波器进行S参数测试。实测得到带阻滤波器的阻带中心频率为2 GHz,3 dB 衰减带宽98% (1.19～3.15 GHz),20 dB 衰减带宽84.5% (1.24～2.93 GHz),阻带左侧通带到阻带的过渡带衰减斜率slopeL=422 dB/GHz (1.19 GHz 衰减为3.16 dB,1.31 GHz 衰减为53.80 dB);阻带右侧阻带到通带的过渡带衰减斜率slopeH=86.91 dB/GHz(3.15 GHz 衰减为2.98 dB,2.6 GHz 衰减为50.78 dB),品质因数为1.02,达到了宽带带阻滤波器设计要求。图20 给出了带阻滤波器的测试和仿真结果对比,一致性较好。由于加工和SMA 接头焊接引入的误差,测试与仿真的fL和fH存在1%的频偏。

图20 带阻滤波器的仿真与测试结果比较Fig.20 Comparison of simulated and measured results of the bandstop filter

表2 为本文带阻滤波器与其他文献中带阻滤波器的性能比较。由表2 可知,本文设计的带阻滤波器具有阻带抑制良好、相对带宽大、结构紧凑等优点。

表2 本文与其他宽带带阻滤波器的性能比较Tab.2 Comparison with previous wideband bandstop filters

4 结论

在输入输出端引入单端接地耦合线,结合微带传输线上加载开路枝节,设计了一款带阻滤波器。通过奇偶模理论分析、传输线模型和结构模型仿真优化,实现了中心频率为2 GHz、20 dB 相对带宽为84.5%的宽带带阻滤波器。滤波器的实物加工测试结果与仿真结果频偏为1%,一致性较好。该款滤波器阻带特性良好,结构紧凑,可与航电系统设备中板级电路集成,用于电磁干扰防护。