一種新型小型化K波段帶通濾波器的設(shè)計解析

1? 引言

微波濾波器是通信系統(tǒng)中抑制諧波和干擾的重要部件，其指標影響整機的性能。通常，k波段的帶通濾波器都采用波導(dǎo)形式，有插損小,Q值高的優(yōu)點,但是外形尺寸大，不容易直接集成在收發(fā)機的盒子中；其次，在設(shè)計中也有采用平面形式的帶通濾波器，但報道較少，雖然其體積相對較小，但是其插損較大，矩形度差。常見的微帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)有平行耦合、端耦合、發(fā)夾式、梳狀型和交指型等,這些結(jié)構(gòu)都是通過耦合線實現(xiàn)的。在以上各種結(jié)構(gòu)的濾波器電路中,平行耦合結(jié)構(gòu)由于其縱向長度大約只有端耦合長度的一半,且耦合縫更寬,在綜合設(shè)計得到所要求的原型濾波器參量時有比較大的結(jié)構(gòu)靈活度,適應(yīng)的頻帶范圍也較寬，但其輸入輸出不在一條直線上。同時為了得到很好的頻率選擇特性必須增加濾波器的級數(shù)，如此以來就增加了插入損耗和濾波器的體積，端耦合尺寸太大，發(fā)夾式、梳狀型和交指型等結(jié)構(gòu)對工藝要求高，且不適合用在毫米波波段。因此研究高性能小型化的k波段帶通濾波器具有重要的意義。

本文介紹了一種基于多徑傳輸而產(chǎn)生傳輸零點的小型化帶通濾波器。通過在頻率的高端引入一個傳輸零點從而改善了該濾波器的阻帶抑制特性和過渡帶特性。閉合的三角形諧振單元的使用大大的減小了該濾波器的尺寸。

2? 濾波器設(shè)計

圖1為該濾波器的基本諧振單元，選取閉合的三角形作為基本的諧振單元，通過合理的放置諧振單元的位置可以有效的減小濾波器的體積。由于是閉環(huán)諧振所以每個諧振單元的總長度約為波導(dǎo)波長的整數(shù)倍。

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其a為波導(dǎo)波長，l為諧振單元的周長。

如圖1所示，我們選擇厚度為0.254mm，介電常數(shù)為2.2的RT/Duroid5880介質(zhì)基片。通過使用三維場仿真軟件HFSS，利用本征模求解，得到l為12.5mm時對應(yīng)的諧振頻率為20.5GHz，為我們要求設(shè)計的頻率。于是我們選取了四個這樣的諧振單元構(gòu)成了結(jié)構(gòu)緊湊的濾波電路，每個諧振單元的周長為12.5mm左右，如圖2所示，輸入輸出端口為標準的50歐姆微帶線。

對于此種結(jié)構(gòu)濾波器，兩個端口之間的信號傳輸有3條路徑：1-2；1-3-2；1-4-2。由于場分量在中心區(qū)域比較集中，因此1-2在中心區(qū)域通過電容間隙耦合為主要傳輸路徑。對圖2所示直接抽頭式結(jié)構(gòu)的濾波器用HFSS進行仿真我們得到如圖3所示的仿真結(jié)果。采用直接抽頭式時該濾波器矩形度差，其仿真結(jié)果相當(dāng)于一個3級的平行耦合線帶通濾波器。

圖1? 基本諧振單元

圖2? 直接抽頭濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3? 直接抽頭式濾波器仿真結(jié)果

對圖3所示濾波器結(jié)構(gòu)進行改進，我們提出了一種電容耦合抽頭形式的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在輸入端50歐姆微帶線的末端連接一個長度為中心頻率半波長的諧振單元，再通過一個電容耦合把信號耦合到第一個三角形諧振單元上。由于半波長諧振單元兩端的場分量比較強，因此分布在第一個三角形諧振單元兩角的場分量加強，即傳輸路徑1-3-2和1-4-2耦合系數(shù)增大，耦合電容C1和C3加大。如此以來，兩個端口之間有三條主要的傳輸路徑，調(diào)節(jié)各條傳輸路徑的耦合量，使得信號從一端口經(jīng)不同的路徑到達二端口時相位在某個頻率點上反向，即產(chǎn)生了一個傳輸零點。調(diào)節(jié)這個傳輸零點的位置可以有效的改善該濾波器的矩形度。觀察圖4發(fā)現(xiàn)，我們對半波長諧振器進行了一小段彎折處理，這是為了不改變其固有諧振頻率的情況下調(diào)節(jié)它與第一個三角行諧振單元之間的耦合量。

圖4 ?電容耦合抽頭式濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

3? 結(jié)果

按照圖4所示的結(jié)構(gòu)，在三維電磁場仿真軟件HFSS里建立仿真模型并進行優(yōu)化得到如圖5所示的仿真結(jié)果。該濾波器具有很好的結(jié)構(gòu)對稱性，可以很方便的進行建模和優(yōu)化，優(yōu)化后得到其主要尺寸如圖4所示。其耦合縫寬為0.47mm，易于加工，避免了為減小插入損耗而采取緊耦合從而帶來加工困難的問題。

圖5? 電容耦合抽頭式濾波器仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示此種新型結(jié)構(gòu)的濾波器中心頻率為20.3GHz，帶寬1GHz，帶內(nèi)插損小于0.6dB,回波損耗大于21dB，下邊帶過渡段在2GHz帶寬范圍內(nèi)衰減30dB，而在上邊帶則有一個傳輸零點。其總體尺寸為11×8.6mm2。

4? 結(jié)論

本文提出了一種可以應(yīng)用于毫米波波段的高性能小型化帶通濾波器結(jié)構(gòu)。這種新型的微帶三角形耦合帶通濾波器基于多徑傳輸原理，通過引入半波長電容耦合諧振器和調(diào)整三角形諧振器之間的耦合距離，我們得到了很好的濾波器響應(yīng)曲線。此種微帶三角形耦合濾波器具有高性能、小尺寸、輕重量、低成本、易于制作等優(yōu)點，可以很方便的用到毫米波集成電路之中，具有非常重要的實際應(yīng)用價值。