懸置帶線帶阻濾波器的設計

1引言

帶阻濾波器常用于射頻/微波系統中濾除不需要的信號或者抑制寄生響應，抑制不同通信系統之間的干擾，可以解決相近的本地收發天線之間的共址干擾問題。

懸置帶線是一種優越的電磁波傳輸系統，其用途廣泛，可以用來實現各種類型的濾波器，不僅可用于傳輸線諧振器型濾波器，也可用于半集總濾波器的設計。一般來說，在平面傳輸線中金屬損耗占據主導地位，相對于微帶線和共面線，懸置帶線的橫截面較大，這有效降低了金屬層的電流密度以及介質中的電場強度，從而能有效減小損耗，同時，屏蔽效應使其不會產生輻射，延伸至空氣中的電磁場成分增加，降低色散效應對濾波器性能的影響。

在帶阻濾波器的設計中，阻帶抑制特性及通帶到阻帶的過渡特性是設計兩個重要方面。帶阻濾波器的設計常見于窄帶或者寬帶的設計，其結構形式多種多樣，采用平面傳輸結構形式具有低成本，易于加工的優點，大量的相關設計的文章發表于各種期刊雜志，但是，關于中等阻帶寬度的帶阻濾波器設計的文獻較為少見，本文設計了一種X波段帶阻濾波器，采用“支線式”結構，AnsoftHFSS軟件仿真，實現通帶2～18GHz，具有15%的阻帶帶寬，陡峭的過渡帶。

2帶阻濾波器設計的基本原理

首先，介紹幾種平面帶阻濾波器的結構形式，如圖1所示，這三種濾波器結構是1/4波長短截線微波帶阻濾波器的常見類型，“平行耦合式”結構（圖1（a）所示）適用于窄帶帶阻濾波器，“并聯基型”（圖1（b）所示）適用于寬帶帶阻濾波器，而“支線式”結構（圖1（c）所示）適用于中等帶寬帶阻濾波器的設計。

本文設計一種中等阻帶寬度的帶阻濾波器，采用圖1（b）所示的支線式電路結構，其等效于圖2（a）所示的1/4波長短截線帶阻濾波器基型電路，這種基型帶阻濾波器的準確設計公式[5]，可以應用頻率變換和黑田變換，直接從集總原件LC梯形低通原型推導出來，具體步驟是：①確定低通原型；②將各元件乘以帶寬因子；③加入單位元件，應用黑田變換；④確定電路結構。

圖1帶阻濾波器的幾種結構形式

支線式結構于平行耦合式結構是等效的，它們均等效于圖2b）所示的結構形式，同時等效于圖2a）所示的1/4波長短截線帶阻濾波器并聯基型，這兩種濾波器的單節與基型單節的參數間的關系為：

(1)

(2)

(3)

其中，

實現條件為：

(4)

式中，Y1為并聯短截線的特性導納，Y12為聯接線的特性導納，Ca、Cb為桿對地單位長自電容，為桿間單位長互電容，η0為自由空間波阻抗，εr為相對介電常數。

圖2支線式帶阻濾波器的等效

3X波段帶阻濾波器設計

本文所設計的帶阻濾波器的技術指標如下：

中心頻率：f0=11.8GHz

阻帶：10.9GHz-12.7GHz（相對帶寬15%）

阻帶內衰減：L≥45dB

通帶插損：IL≤2.0dB@2-10.1GHz13.5-18GHz

根據前面的分析，采用支線式結構設計濾波器能夠滿足15%阻帶帶寬的要求，根據阻帶衰減要求，取n=10，采用RT/durold®6002陶瓷板作為基板，相對于微帶線來說，懸置帶線能夠減小損耗，能夠獲得更加優越的過渡帶特性。在ADS中建立原理圖，給出各短截線及主線的初值并優化，從而得到帶阻濾波器的各結構參數的較準確的值，在此基礎之上，采用Ansoft公司的三維電磁場仿真軟件HFSS建立三維模型，進行參數掃描或者優化，確定參數的精確值，得到滿足指標要求的仿真曲線，如圖3所示，阻帶衰減大于45dB的范圍約為16%，通帶插損不大于2.0dB，滿足設計指標的要求。這樣，既利用了原理圖設計的簡單性及快速性，又利用了三維電磁場仿真的準確性，從而可以快速而準確的設計出所需要的濾波器電路。

圖3帶阻濾波器仿真曲線

根據仿真得到的結構參數的準確值，進行了加工與測量，其實物照片如圖4所示。

圖4帶阻濾波器實物圖

采用安捷倫公司的E8363B矢網測試，測量結果如圖5所示。測量結果顯示：阻帶衰減在10.9GHz-12.7GHz范圍內大于48dB，其邊帶特性較仿真有一定的惡化，在調試過程中發現：無論調節那個一諧振，其第二個通帶（13.5-18GHz）的駐波變化很小，基本上沒有改善，而第一個通帶（2-10.1GHz）的駐波均可以通過調試使其小于2，可調性很高。分析出現以上情況的原因，一是軟件求解存在的仿真誤差，二是加工誤差的引入，三是部分結構參數不可調，只能調節各個諧振支線的電長度，其耦合不可調，導致第二通帶駐波有一定的惡化。可以通過進一步的優化仿真，提高加工精度，適當減小諧振短截線的長度，改善高端的駐波比，通過調諧釘補償諧振器的電長度，以達到改善濾波器性能的目標。

圖5帶阻濾波器測量曲線

4結論

本文采用支線式結構設計了一種中等阻帶帶寬的帶阻濾波器，使用懸置帶線結構獲得較高的Q值，陡峭的邊帶過渡特性，該濾波器還具有低成本、易于加工的優點，滿足工程應用的需要。