悬置带线带阻滤波器的设计

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                1  引言

                         带阻滤波器常用于射频/微波系统中滤除不需要的信号或者抑制寄生响应，抑制不同通信系统之间的干扰，可以解决相近的本地收发天线之间的共址干扰问题。
                          
                         悬置带线是一种优越的电磁波传输系统，其用途广泛，可以用来实现各种类型的滤波器，不仅可用于传输线谐振器型滤波器，也可用于半集总滤波器的设计。一般来说，在平面传输线中金属损耗占据主导地位，相对于微带线和共面线，悬置带线的横截面较大，这有效降低了金属层的电流密度以及介质中的电场强度，从而能有效减小损耗，同时，屏蔽效应使其不会产生辐射，延伸至空气中的电磁场成分增加，降低色散效应对滤波器性能的影响。
                          
                         在带阻滤波器的设计中，阻带抑制特性及通带到阻带的过渡特性是设计两个重要方面。带阻滤波器的设计常见于窄带或者宽带的设计，其结构形式多种多样，采用平面传输结构形式具有低成本，易于加工的优点，大量的相关设计的文章发表于各种期刊杂志，但是，关于中等阻带宽度的带阻滤波器设计的文献较为少见，本文设计了一种X波段带阻滤波器，采用“支线式”结构，Ansoft HFSS软件仿真，实现通带2～18GHz，具有15%的阻带带宽，陡峭的过渡带。
                          
                        2  带阻滤波器设计的基本原理

                         首先，介绍几种平面带阻滤波器的结构形式，如图1所示，这三种滤波器结构是1/4波长短截线微波带阻滤波器的常见类型，“平行耦合式”结构（图1（a）所示）适用于窄带带阻滤波器，“并联基型”（图1（b）所示）适用于宽带带阻滤波器，而“支线式”结构（图1（c）所示）适用于中等带宽带阻滤波器的设计。
                          
                         本文设计一种中等阻带宽度的带阻滤波器，采用图1（b）所示的支线式电路结构，其等效于图2（a）所示的1/4波长短截线带阻滤波器基型电路，这种基型带阻滤波器的准确设计公式[5]，可以应用频率变换和黑田变换，直接从集总原件LC梯形低通原型推导出来，具体步骤是：①确定低通原型；②将各元件乘以带宽因子；③加入单位元件，应用黑田变换；④确定电路结构。
                          
       

               

       

                图1  带阻滤波器的几种结构形式

                          
                         支线式结构于平行耦合式结构是等效的，它们均等效于图2 b）所示的结构形式，同时等效于图2 a）所示的1/4波长短截线带阻滤波器并联基型，这两种滤波器的单节与基型单节的参数间的关系为：
                                   (1)
                                    (2)
                                  (3)
                         其中，
                         实现条件为：
                              (4)
                          
                         式中，Y1为并联短截线的特性导纳，Y12为联接线的特性导纳，Ca、Cb为杆对地单位长自电容，为杆间单位长互电容，η0为自由空间波阻抗，εr为相对介电常数。
                          
       

               

       

                图2  支线式带阻滤波器的等效

                 
                        3  X波段带阻滤波器设计

                         本文所设计的带阻滤波器的技术指标如下：
                         中心频率：f0 =11.8GHz
                         阻带：10.9GHz-12.7GHz（相对带宽15%）
                         阻带内衰减：L≥45dB
                         通带插损：IL≤2.0dB@2-10.1GHz&13.5-18GHz
                          
                         根据前面的分析，采用支线式结构设计滤波器能够满足15%阻带带宽的要求，根据阻带衰减要求，取n=10，采用RT/durold?6002陶瓷板作为基板，相对于微带线来说，悬置带线能够减小损耗，能够获得更加优越的过渡带特性。在ADS中建立原理图，给出各短截线及主线的初值并优化，从而得到带阻滤波器的各结构参数的较准确的值，在此基础之上，采用Ansoft公司的三维电磁场仿真软件HFSS建立三维模型，进行参数扫描或者优化，确定参数的精确值，得到满足指标要求的仿真曲线，如图3所示，阻带衰减大于45dB的范围约为16%，通带插损不大于2.0dB，满足设计指标的要求。这样，既利用了原理图设计的简单性及快速性，又利用了三维电磁场仿真的准确性，从而可以快速而准确的设计出所需要的滤波器电路。
                          
       

               

       

                图3  带阻滤波器仿真曲线

       

                 

                         根据仿真得到的结构参数的准确值，进行了加工与测量，其实物照片如图4所示。
                          
       

               

       

                图4  带阻滤波器实物图

                          
                         采用安捷伦公司的E8363B矢网测试，测量结果如图5所示。测量结果显示：阻带衰减在10.9GHz-12.7GHz范围内大于48dB，其边带特性较仿真有一定的恶化，在调试过程中发现：无论调节那个一谐振，其第二个通带（13.5-18GHz）的驻波变化很小，基本上没有改善，而第一个通带（2-10.1GHz）的驻波均可以通过调试使其小于2，可调性很高。分析出现以上情况的原因，一是软件求解存在的仿真误差，二是加工误差的引入，三是部分结构参数不可调，只能调节各个谐振支线的电长度，其耦合不可调，导致第二通带驻波有一定的恶化。可以通过进一步的优化仿真，提高加工精度，适当减小谐振短截线的长度，改善高端的驻波比，通过调谐钉补偿谐振器的电长度，以达到改善滤波器性能的目标。
                          
       

               

       

                图5  带阻滤波器测量曲线

       

                 

                        4  结论

                         本文采用支线式结构设计了一种中等阻带带宽的带阻滤波器，使用悬置带线结构获得较高的Q值，陡峭的边带过渡特性，该滤波器还具有低成本、易于加工的优点，满足工程应用的需要。