基于悬置带线的超宽带带通滤波器

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                1  引言

                         微波滤波器广泛应用于雷达、电子对抗、通讯、制导等系统中，是必不可少的重要部件。通信系统的宽带、小型化发展趋势，对滤波器提出了越来越高的要求。
                          
                         悬置带线是一种优越的传输线系统，可以用来实现各种形式的滤波器，相比于微带线和共面波导，悬置带线在金属层有着更小的电流密度，在介质层具有更小的电场强度，从而有效地减小了损耗。由于悬置带线具有损耗低、温度性能优异、工艺制作可高精度控制、批量一致性好等优点，非常适于宽带微波部件设计，利用悬置带线设计制作的滤波器具有多倍频程超宽带、低损耗和非常高的矩形度。
                          
                         本文会介绍一种基于悬置带线的带通滤波器的设计，这种滤波器有着很宽的通带，可以广泛用于各系统以及宽带多工器的设计。该悬置带线带通滤波器的仿真结果和实测的曲线在文中将会给出。
                          
                        2  传输线和滤波器结构

                         悬置带线结构是由一个悬置于金属盒体中间的介质基片及其上下两侧（或单侧）的金属导带构成，如图1所示，基片上下各有2mm的空气腔，并且由于封闭效应，在理想情况下对外没有辐射。悬置带线是微波频率的通用传输媒介，除了相对于微带线更低的损耗之外，悬置带线还可以选择制作成双面电路。如制作宽边耦合线，增大耦合，就可以解决微带线边缘耦合量不够的问题。
                          
       

               

       

                图1  悬置带线结构

                          
                         本文设计的带滤波器的指标是：
                         1）中心频率为7.5GHz
                         2）1dB带宽为11GHz
                         3）DC-1.6GHz抑制大于60dBc，4.5-22.5GHz抑制大于60dBc
                         4）带内驻波小于1.7
                         设计要求带宽很宽，为2-13GHz，相对带宽接近150%，我们采用高低通对接的结构，这种结构所提供的带宽取决于高通滤波器的带宽。高通通带够宽，设计出的带通滤波器就能满足要求。
                          
                         我们选用椭圆函数原型滤波器，它具有等波纹通带和等最小值阻带，在阻带内有限频率处存在若干个衰减极点，可以得到很陡的截止率，具有很好的阻带特性。
                          
       

               

       

                图2  集总原型

                          
                         图2是此滤波器的集总原型，左半部分为高通，右边是低通滤波器，中间有一匹配阻抗，用以调整驻波。
                          
                         高通滤波器的耦合电容由宽边耦合实现，并且为了增大耦合，提高耦合电容，减小耦合区的体积，我们特别选用了10mil的薄介质板，并适当调整介质板距离上下接地板的腔高，以实现减小体积的目的。
                 
                         并联谐振器由阶跃阻抗谐振器（Stepped  Impedance  Resonators, SIR）实现，提供传输零点，有效的减小了滤波器的宽度，并且其中的低阻抗线是微带实现，虽然会略微降低Q值，但是能够进一步减小体积，可以实现滤波器的小型化。阶跃阻抗谐振器 (SIR)如图3所示。在不减小无载品质因数的情况下可以缩短谐振器长度 ,并且在结构和设计上有很大的自由度
                          
       

               

       

                图3  l/4阶跃阻抗谐振器

                          
                         对于终端开路的阶跃阻抗谐振器 ,若输入的导纳、阻抗分别定义为 Yi和 Zi。如果忽略阶跃非连续性和开路端的边缘效应, Zi的表达式如下
                        
                         设Yi=0,则平衡谐振条件为
                        
                        
                         SIR的谐振条件取决于θ1、θ2和阻抗率 Rz。一般的均匀阻抗谐振器的谐振条件惟一地取决于传输线的长度,而对SIR则同时要记入长度和阻抗比。因此 ,阶跃阻抗谐振器(SIR)比均匀阻抗谐振器(UIR)多了一个设计自由度。
                          
                         设 SIR两端之间的总的电学长度θT为
                        
                         谐振器长度在Rz&ge;1时有极大值, Rz < 1时有极小值。且当0<Rz <1时, 0 <&theta;T <&pi;/2。所以SIR相比普通 UIR减小了尺寸。
                          
                         低通滤波器是普通的椭圆结构滤波器。
                          
                        3  建模仿真

                         对低通滤波器和高通滤波器分别仿真，得到在HFSS中进行的三位电磁场仿真曲线如图4和图5所示。
                          
       

               

       

                图4  高通滤波器在HFSS中仿真曲线

       

               

       

                图5  低通滤波器在HFSS中仿真曲线

                          
                         把两个滤波器通过一匹配阻抗连接在一起，调整阻抗值，进行匹配，优化驻波，得到带通滤波器的仿真曲线如图6所示
                          
       

               

       

                图6  带通滤波器在HFSS中仿真曲线

                          
                        4  测试结果与分析

                         实际做出的产品如图7所示，尺寸为58mm×36mm×1mm。
       

               

       

                图7  实物照片

                 
                         该产品不仅实现了结构的小型化，同时具有良好的滤波特性。实际的测试曲线与仿真结果相比较相当一致，经过调试得出最后的曲线如图8所示，该产品完全满足指标要求，并有指标冗余。调试后实际性能较仿真曲线优异，受到加工精度的影响，通带向低端偏移。
       

               

       

                图8  实物测试曲线

                        5  结论

                         这种悬置带线带通滤波器损耗很低，Q值高，带外抑制高，矩形度优异，通带极宽，体积小，比起普通的微带带通滤波器，可调性非常好。但是在设计的时候应该注意屏蔽隔墙产生的影响。