短截线级联发夹线的带通滤波器设计

� � 收稿日期: 2009�09�27 � � 作者简介:王飞( 1982� ) ,男,安徽蒙城人,硕士生,研究方向为计算机测控技术与射频电路设计。通信作者:马胜前 ( 1954�) , 男,甘肃甘谷 人,教授,硕士生导师,主要从事计算机测量与控制的研究。E�mail: s. q. ma@ 163. com � � 文章编号: 1004�2474( 2010) 06�1066�03 短截线级联发夹线的带通滤波器设计 王 � 飞,马胜前 (西北师范大学物理与电子工程学院,甘肃 兰州 730070) � � 摘 � 要:针对微带发夹滤波器高端抑制度低的问题, 提出了一种由短截线和发夹级联带通滤波器, 该滤波器实 现抑制谐波信号和改善了高端阻带的抑制能力。通过理论和工程实验进行验证,同时采用先进设计系统( ADS)软 件设计了一种工作于 C 频段的通带为 5. 0~ 5. 5 GHz 的微带带通滤波器。实测结果与仿真结果基本吻合,达到了 设计要求。 关键词:短截线低通滤波器; 发夹型滤波器;先进设计系统 中图分类号: T N713+ . 4 � � � 文献标识码: A Design of Bandpass Filter with Stub Cascaded Hairpin Resonators WANG Fei, MA Shengqian ( College of Phys ics and Elect ronic E ngineering, Northw est Normal University, Lanzh ou 730070, China) � � Abstract: A band� pass filter w ith the stub� cascaded�hairpin resonator has been proposed in this paper to im� prove the low suppression at the high end of the stop�band of the micro�st rip hairpin filt er. The ha rmonic signal o f the filter has been suppressed and the suppression at the high end o f the stop�band has been improved. A micro�str ip band� pass filter operated at 5. 0~ 5. 5 GHz of C band has been designed by using t he ADS softw ar e and the filter has been ver ified theo retically and exper iment ally. T he measured result agr eed w ell w ith the simulation. T he design re� quirements have been satisf ied. Key words: stub lowpass f ilter ; hair pin f ilter ; ADS � � � 随着现代无线通信技术的迅速发展, 各种通讯 系统应用频段的提高, 人们对通讯质量的要求也越 来越高,使得通讯系统对滤波器的带外抑制能力要 求也格外严格。滤波器主要功能是让通带内的信号 以很小的衰减通过, 而在频带外有很大的衰减;在低 频段的应用中, 传统的集中参数滤波器有着良好的 性能表现,但随着频率上升到了微波频段以上,由于 集中参数元件(电感、电容)的品质因数( Q )值急剧 下降,造成滤波器在射频的频段内损耗太大, 集成度 低和不易调试, 这时就必须使用分布参数元件来替 代集中参数元件 [ 1]。常用的分布参数滤波器形式有 平行耦合线、电容间隙耦合线、交指型和发夹型 等[ 2]。由于发夹型滤波器具有体积小, 生产一致性 好,集成度高及性能稳定等优点,且在平面版图和制 版上较方便,易于和其他电路集成,近年来在微波通 讯电路中得到广泛应用。 对微波发夹带通滤波器而言, 由于分布参数的 传输线的周期性频率响应, 使得在通带中心频率一 定距离处出现了寄生通带, 其寄生通带频率一般在 通带中心频率的整数倍处[ 3] , 这对于抑制阻带高端 信号输出不利; 若采用多个谐振器滤波, 所占面积 大,高端阻带抑制低,且效果不好。本文采用开路短 截线低通滤波器级联发夹线带通滤波器, 实现了抑 制谐波信号和改善高端阻带的抑制特性; 应用 Ag i� lent 公司的电磁仿真软件先进设计系统( ADS)对滤 波器设计初值进行了仿真和优化, 设计出中心频率 为 5. 25 GHz、带宽 500 MHz的带通滤波器,最后通 过与实测结果比较可以看出其设计的准确性。采用 本设计出的滤波器结构紧凑,性能好,具有很好 的实用价值。 1 � 滤波器的设计原理 1. 1 � 微波发夹滤波器的设计原理 发夹型带通滤波器是一种分布参数滤波器,它 由若干个发夹型谐振器并排组合而成, 谐振器之间 主要通过其边缘区域的电磁场相互交叉耦合。该滤 波器是半波长耦合微带线滤波器的一种变形结构, 是把半波长耦合谐振器折合成� U 字形构成, 其结 构紧凑,减小了滤波器的尺寸。 第32卷第6期 压 � 电 � 与 � 声 � 光 Vol. 32 No. 6 2010年12月 P IEZOELECT RICS & ACOUSTOOPTICS Dec. 2010 图 1为发夹型微带滤波器的电路结构示意图, 其中 Zoe、Zoo分别为耦合微带线偶、奇模特性阻抗, � 为耦合微带线电长度。根据奇、偶模理论和网络分 析理论得到平行耦合节的 ABCD 矩阵 [ 4] , 当 �= 90! 时,通过等效电路模型相应矩阵计算可得 � Zoe| i, i+ 1= 1 Y 0 1+ 1 Y 0 J i, i+ 1+ J i, i+ 1 Y 0 2 ( 1) � Zoo | i, i+ 1= 1 Y 0 1- 1 Y0 J i, i+ 1+ J i, i+ 1 Y 0 2 ( 2) 图 1 � 微带耦合单元结构图 由式( 1)、( 2)可见,只要计算出导纳倒置器的导 纳 J 就可确定任意耦合长度的滤波器耦合单元的 电学参数。在滤波器综合理论中,微带耦合节常被 等效为一个倒置变换器 J 连接两段等长度传输线 构成的二端口网络。该耦合单元可等效成一个导纳 倒置转换器和接在两边的两段 �、特性导纳 Y 0 的传 输线组合[ 5] ,如图 2所示。导纳转置公式为 J 01 Y 0 = � 2g0 g1 1/ 2 ( 3) J i, i+ 1 Y 0 = � ( g ig i+ 1) - 1/ 2 / 2 ( 4) J n, n+ 1 Y 0 = � 2gng n+ 1 1/ 2 ( 5) 式中 为带通滤波器的相对带宽。 图 2� J 导纳倒置器等效单元结构图 由式(1)~ (5)可见, 在发夹滤波器的设计过程 中,首先根据需求选用滤波器的原型;然后确定滤波 器的阶数、类型,则可查得该低通原型的 g 参数, 求 出导纳变换器的值; 最后求出微带耦合线的奇、偶模 特性阻抗,并用软件计算耦合线的线宽、缝隙及长 度,从而得到滤波器的实际尺寸。 1. 2 � 短截线低通滤波器的基本原理 对于短截线低通滤波器的设计, 可从集中参数 元件 LC低通原型电路通过阻抗变化, 把电路中的 电感用短路微带线替换, 变换成 1/ 4波长高阻抗线 短路短截线;电容可用开路微带线替换,变换成 1/ 4 波长的开路短截线; 为了缩小电路尺寸, 电路采用 1/ 8波长结构。根据设计要求选择滤波器的阶数为 n,依据查表可得低通原型的元件值 gm ( m= 0, 1, ∀, n) ,先应用 Richards变换, 然后利用 Kuroda 规 则,将电容电感转换成短路或开路短截线 [ 6]。终端 短路和开路短截线的输入阻抗分别为 Z SC in = jZ0 tan ( !l) (6) Z OC in = - jZ0 1 tan ( !l ) (7) 式中: Z0 为特性阻抗; !为波的传播常数; l 为传输 线长度。 通过式( 6)、( 7)实现集中参数元件到分布参数 元件的变换。 2 � 微波带通滤波器的设计实例 根据工程需设计微波 C 波段通带为 5. 0 ~ 5. 5 GHz的带通滤波器, 滤波器的主要技术指标要 求:通带内衰减小于 2 dB,回波损耗大于 15 dB; 通 带外( 4. 25 GH z以下衰减大于 30 dB, 6. 25 GHz以 上衰减大于 35 dB)带内纹波为 0. 3 dB, 端口特性阻 抗为 50 ∀。 设计中选用罗杰斯介质板, 该介质板基板厚为 0. 508 mm, 介电常数为 3. 48,相对磁导率为 1, 敷铜 厚为 0. 035 mm,损耗角正切值为 0. 003 4。 分析滤波器的技术指标, 依据发夹带通滤波器 设计原理,采用切比雪夫式型滤波器设计,并留出一 定的设计余量。先计算归一化低通滤波器参数选用 3阶通带纹波为 0. 2 dB的低通原型滤波器, 得到各 电导参数为 g0 = g4 = 1. 0, g1 = g3 = 1. 227, g2 = 1. 152, 然后计算出导纳倒置器 J特性导纳, 并依据 式( 1)、( 2)求出各阶耦合传输线的奇、偶模特性阻 抗;借助 ADS自带的传输线 LineCalc 计算工具,计 算得到每级微带线的物理参数初值, 计算如表 1所 示,其中 W、S、L 分别为发夹滤波器的线宽、缝隙和 线长。 表 1 � 奇、偶模特性阻抗和耦合线尺寸的参数 阶数 i Zoe | i, i+ 1 Zoo | i, i+ 1 W / mm S/ mm L / mm 1 73. 514 6 38. 664 5 0. 82 0. 14 8. 41 2 57. 062 7 44. 512 5 1. 05 0. 56 8. 35 � � 由于发夹型滤波器输入输出的线宽度及其与 相邻谐振回路间的耦合影响回波损耗, 而各谐振回 路间的耦合决定滤波器的带宽。用表 1计算的尺寸 仿真发现,高端的带外抑制度不能达到指标要求,为 了加快通带外的抑制速度需增加耦合阶数,但这样 既不能解决带外的谐波抑制,且增加了通带内插入 损耗。若让高频段带外的抑制度提高, 则在带通滤 波器级联一个 5阶低通滤波器, 引入低通滤波器能 有效抑制 6. 5 GHz后的频段谐波。设计时,低通滤 波器的截止频率为5. 5 GHz,用式( 6)、( 7)计算出阻 抗值,通过阻抗值算出短截线低通滤波器线宽和线 长。 通过上述计算的尺寸仿真结果与设计的指标不 � 第 6 期 王 � 飞等: 短截线级联发夹线的带通滤波器设计 1067 � 太理想, 滤波器的 S 参数特性存在较大偏差, 这主 要由于在计算特性阻抗数据中使用公式进行了近似 处理,使推导出的尺寸与实际情况有偏差。采用 ADS软件经过进一步对微带长度、宽度和间隙的优 化,可得到符合要求的各参数,其仿真结果如图 3所 示。 图 3 � 滤波器 S 参数仿真结果比较 电路图仿真在理想条件下进行, 为验证滤波器 设计的准确性, 使用软件进行版图电磁仿真。根据 优化后原理图的结果生成 Layout 电路版图, 采用 ADS软件中电磁设计系统( EMDS)对滤波器版图 进行电磁仿真。图 4为滤波器的版图。图 5为最终 带通滤波器的频率响应仿真结果, 其中 m1 为频率 5 GHz, 插入损耗为- 1. 446 dB; m2 为频率 5. 5 GHz,插入损耗为- 1. 664 dB; m3 为回波损耗,表示 带内最大值为- 15. 039 dB。 � � 由图 5可见, 版图仿真的 S 参数与原理图的略 有差异,其主要原因是原理图为基于电路形式的仿 真,未考虑实际因素; 而版图采用有限元算法仿真, 考虑了表面波效应、空间波辐射等因素,因此版图比 电路图仿真复杂, 运算量大,一般不易改动, 修改都 是在电路图仿真过程中完成。 3 � 带通滤波器的测试分析 根据版图的仿真设计, 对设计的滤波器进行了 实物加工。采用 Ag ilent矢量网络分析仪进行了性 能指标的测试,测试曲线如图 6所示。由图可见,在 5 GHz 的损耗为 - 1. 9 dB, 5. 5 GHz 的损耗为 - 1. 7 dB,滤波器在整个通带内实现了小于 2 dB的 插入损耗。与仿真结果相比,滤波器的插入损耗有 一定差别,带宽变宽,主要原因是介质电路板的材料 厚度、介电常数不均匀性及受加工精度限制所造成。 测试结果与仿真结果较吻合,这也验证了设计方法 的正确性。 图 6� 矢量网络分析仪实测结果 4 � 结束语 本文设计的带通滤波器采用低通和带通级联的 方式,对高频段有很强的带外抑制和谐波抑制。同 时给出 C 波段滤波器的设计实例验证, 运用 ADS 软件进行了原理图、版图的设计和仿真,并对实际加 工出的滤波器进行测试, 测试结果与仿真结果基本 吻合。由此可见, 采用本方案设计的滤波器性能良 好,易集成, 具有很高的实用价值, 且成功应用于集 成多路频率合成器模块中。 参考文献: [ 1] 宁俊松, 罗正祥, 羊恺, 等. 宽阻带平面低通滤波器 的设计[ J] . 电子学报, 2008, 2( 2) : 342�345. 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