電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 褚童松 習(xí)友寶

1.引言

射頻濾波器是接收機(jī)中必不可少的部件，可以用來組合和分開不同頻率的信號，如在混頻或倍頻的通路中實(shí)現(xiàn)頻率的選擇。由于電磁波譜資源的有限性，通過使用濾波器既可以讓某一頻段的信號順利的通過，又可以有效地抑制其他頻段的信號經(jīng)過該系統(tǒng)。從不同的方面來給微波濾波器分類：按作用分類（如低通、帶通等），按結(jié)構(gòu)分類（如微帶線、波導(dǎo)等），按照加載方式可分為（如單終端、雙終端）等[1]。

2.發(fā)夾型濾波器的原理

2.1 工作原理分析

發(fā)夾型濾波器的耦合結(jié)構(gòu)在原理上屬于交叉耦合，即負(fù)載端和輸入端的耦合通路不唯一，除了基本的相鄰兩個(gè)諧振器的直接耦合外，其它諧振器兩兩之間還存在著微弱的耦合[3]。雖然發(fā)夾型諧振器和平行耦合諧振器一樣都是半波長的諧振器，但是與平行耦合結(jié)構(gòu)相比更加緊湊，減小了尺寸從整體上降低了濾波器的成本。與普通的梳狀線帶通濾波器相比，不需要在諧振臂的末端加過孔，消除了在設(shè)計(jì)過孔時(shí)引入的誤差。因此微帶線濾波器的設(shè)計(jì)中得到較多的使用。圖1給出了兩種常用發(fā)夾型諧振器的基本結(jié)構(gòu)。

其中（a）所示的結(jié)構(gòu)較為簡單，Dishal的理論證明了發(fā)夾型濾波器的各臂可以采用相同的特性阻抗，只需要通過調(diào)節(jié)相鄰諧振器之間的距離最終可以達(dá)到滿足設(shè)計(jì)參數(shù)的濾波器[3]。

圖1 兩種常用發(fā)夾型諧振器的結(jié)構(gòu)

2.2 濾波器的仿真設(shè)計(jì)

本課題中設(shè)計(jì)的發(fā)夾型濾波器的指標(biāo)要求：中心頻率工作在830MHz，帶寬為30MHz，工作時(shí)的插入損耗小于6dB，輸入和輸出反射系數(shù)小于-14dB，小于763MHz處阻帶抑制為-50dB。

ADS2008是由安捷倫公司推出的專門用于射頻與微波電路的仿真和設(shè)計(jì)的輔助工具，它大大縮短了射頻電路的設(shè)計(jì)周期，既能夠進(jìn)行系統(tǒng)的總體仿真又能進(jìn)行各部分的仿真，是一款性能優(yōu)良的電子設(shè)計(jì)自動化軟件[2]。利用ADS軟件中微帶線計(jì)算小工具可算出每個(gè)諧振臂微帶線的大體尺寸。該濾波器的介質(zhì)基板使用F4B-2高頻板，介電常數(shù)ε=2.65，板材厚度0.5mm，覆銅高度為35um。

圖2所示為使用ADS軟件建立的原理圖模型：

圖2 發(fā)夾型濾波器原理圖

經(jīng)過軟件的優(yōu)化仿真得到的原理圖仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 濾波器原理圖仿真結(jié)果

圖4 中心頻率和帶寬實(shí)際效果

從上圖的仿真結(jié)果看插入損耗小于1dB，帶外抑制有-50dB,完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。但在濾波器基片的實(shí)際加工過程中由于加工精度不夠和材質(zhì)本身的影響，往往會造成中心頻點(diǎn)的漂移，因此在做原理圖仿真的時(shí)候往往將設(shè)置優(yōu)化的目標(biāo)中心頻點(diǎn)向下調(diào)整10MHz左右。

3.實(shí)物測試效果和實(shí)物圖

圖4和圖5是使用Agilent8712ET射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試圖，從圖中可以看到濾波器的中心頻點(diǎn)在826MHz，3dB帶寬為37.8MHz，插入損耗為-5.7dB，中心頻點(diǎn)向下偏移了4MHz。圖4中偏移中心頻率67MHz處抑制為-50dB以上。但是反射系數(shù)不夠好830MHz處約為-13dB。該濾波器的實(shí)際插入損耗比較大的主要原因是諧振臂之間的距離較大，而在ADS軟件中的原理圖和LAYOUT仿真時(shí)采用的均為理想模型，對無源的微波元器件最好能使用HFSS軟件進(jìn)行仿真，這也是以后需要改進(jìn)的方面。

另外在微帶線的設(shè)計(jì)和加工上階梯阻抗發(fā)生變化，接頭處和彎曲端都不可避免的要發(fā)生相位和振幅等多方面的變化，從而引起信號的傳輸產(chǎn)生誤差。對于消除這種誤差既可以將發(fā)生誤差處的模型通過測量建立起來并在實(shí)際的設(shè)計(jì)中作為電路的一部分，也可以通過將直角接頭處采用圓滑的彎頭或者切角的辦法。對于圓滑彎頭的半徑選取R>3W，其中W為微帶線的寬度,切角的處理辦法是使得斜切角的長度為A=1.8W[4]。相比較第一種建立誤差模型的辦法方法二顯得更易實(shí)現(xiàn)。圖6是該濾波器的實(shí)物圖照片。

4.結(jié)束語

經(jīng)過整機(jī)的聯(lián)調(diào)證明該射頻帶通濾波器使得接收機(jī)的鏡像信號得到明顯的抑制。

圖5 帶外抑制和反射系數(shù)實(shí)測圖

圖6 帶通濾波器的實(shí)物圖

[1]現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì).

[2]Advanced Design System 2008 user’sguide,2008,Agilent Technologies.

[3]H Jiasheng,J LANCASTER,Microstrip Filters for RF/Microwave Applications,New York:John Wiley & Sons Inc,2001.

[4][美]David M.Pozar.微波工程(第三版)[M].張肇義,周樂柱,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006.3.