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懸置帶線帶阻濾波器的設(shè)計(jì)介紹
  • 發(fā)布時(shí)間:2020-08-13 17:35:14
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懸置帶線帶阻濾波器的設(shè)計(jì)介紹
1引言
帶阻濾波器常用于射頻/微波系統(tǒng)中濾除不需要的信號(hào)或者抑制寄生響應(yīng),抑制不同通信系統(tǒng)之間的干擾,可以解決相近的本地收發(fā)天線之間的共址干擾問(wèn)題。
懸置帶線是一種優(yōu)越的電磁波傳輸系統(tǒng),其用途廣泛,可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種類型的濾波器,不僅可用于傳輸線諧振器型濾波器,也可用于半集總濾波器的設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō),在平面?zhèn)鬏斁€中金屬損耗占據(jù)主導(dǎo)地位,相對(duì)于微帶線和共面線,懸置帶線的橫截面較大,這有效降低了金屬層的電流密度以及介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度,從而能有效減小損耗,同時(shí),屏蔽效應(yīng)使其不會(huì)產(chǎn)生輻射,延伸至空氣中的電磁場(chǎng)成分增加,降低色散效應(yīng)對(duì)濾波器性能的影響。
在帶阻濾波器的設(shè)計(jì)中,阻帶抑制特性及通帶到阻帶的過(guò)渡特性是設(shè)計(jì)兩個(gè)重要方面。帶阻濾波器的設(shè)計(jì)常見(jiàn)于窄帶或者寬帶的設(shè)計(jì),其結(jié)構(gòu)形式多種多樣,采用平面?zhèn)鬏斀Y(jié)構(gòu)形式具有低成本,易于加工的優(yōu)點(diǎn),大量的相關(guān)設(shè)計(jì)的文章發(fā)表于各種期刊雜志,但是,關(guān)于中等阻帶寬度的帶阻濾波器設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)較為少見(jiàn),本文設(shè)計(jì)了一種X波段帶阻濾波器,采用“支線式”結(jié)構(gòu),AnsoftHFSS軟件仿真,實(shí)現(xiàn)通帶2~18GHz,具有15%的阻帶帶寬,陡峭的過(guò)渡帶。
2帶阻濾波器設(shè)計(jì)的基本原理
首先,介紹幾種平面帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示,這三種濾波器結(jié)構(gòu)是1/4波長(zhǎng)短截線微波帶阻濾波器的常見(jiàn)類型,“平行耦合式”結(jié)構(gòu)(圖1(a)所示)適用于窄帶帶阻濾波器,“并聯(lián)基型”(圖1(b)所示)適用于寬帶帶阻濾波器,而“支線式”結(jié)構(gòu)(圖1(c)所示)適用于中等帶寬帶阻濾波器的設(shè)計(jì)。
本文設(shè)計(jì)一種中等阻帶寬度的帶阻濾波器,采用圖1(b)所示的支線式電路結(jié)構(gòu),其等效于圖2(a)所示的1/4波長(zhǎng)短截線帶阻濾波器基型電路,這種基型帶阻濾波器的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)公式[5],可以應(yīng)用頻率變換和黑田變換,直接從集總原件LC梯形低通原型推導(dǎo)出來(lái),具體步驟是:①確定低通原型;②將各元件乘以帶寬因子;③加入單位元件,應(yīng)用黑田變換;④確定電路結(jié)構(gòu)。
濾波器的設(shè)計(jì)
圖1帶阻濾波器的幾種結(jié)構(gòu)形式
支線式結(jié)構(gòu)于平行耦合式結(jié)構(gòu)是等效的,它們均等效于圖2b)所示的結(jié)構(gòu)形式,同時(shí)等效于圖2a)所示的1/4波長(zhǎng)短截線帶阻濾波器并聯(lián)基型,這兩種濾波器的單節(jié)與基型單節(jié)的參數(shù)間的關(guān)系為:
濾波器的設(shè)計(jì)
其中,濾波器的設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)條件為:
 濾波器的設(shè)計(jì)(4)
式中,Y1為并聯(lián)短截線的特性導(dǎo)納,Y12為聯(lián)接線的特性導(dǎo)納,Ca、Cb為桿對(duì)地單位長(zhǎng)自電容,為桿間單位長(zhǎng)互電容,η0為自由空間波阻抗,εr為相對(duì)介電常數(shù)。
濾波器的設(shè)計(jì)
圖2支線式帶阻濾波器的等效
3X波段帶阻濾波器設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的帶阻濾波器的技術(shù)指標(biāo)如下:
中心頻率:f0=11.8GHz
阻帶:10.9GHz-12.7GHz(相對(duì)帶寬15%)
阻帶內(nèi)衰減:L≥45dB
通帶插損:IL≤2.0dB@2-10.1GHz13.5-18GHz
根據(jù)前面的分析,采用支線式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)濾波器能夠滿足15%阻帶帶寬的要求,根據(jù)阻帶衰減要求,取n=10,采用RT/durold®6002陶瓷板作為基板,相對(duì)于微帶線來(lái)說(shuō),懸置帶線能夠減小損耗,能夠獲得更加優(yōu)越的過(guò)渡帶特性。在ADS中建立原理圖,給出各短截線及主線的初值并優(yōu)化,從而得到帶阻濾波器的各結(jié)構(gòu)參數(shù)的較準(zhǔn)確的值,在此基礎(chǔ)之上,采用Ansoft公司的三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS建立三維模型,進(jìn)行參數(shù)掃描或者優(yōu)化,確定參數(shù)的精確值,得到滿足指標(biāo)要求的仿真曲線,如圖3所示,阻帶衰減大于45dB的范圍約為16%,通帶插損不大于2.0dB,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。這樣,既利用了原理圖設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性及快速性,又利用了三維電磁場(chǎng)仿真的準(zhǔn)確性,從而可以快速而準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)出所需要的濾波器電路。
圖3帶阻濾波器仿真曲線
根據(jù)仿真得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)的準(zhǔn)確值,進(jìn)行了加工與測(cè)量,其實(shí)物照片如圖4所示。
濾波器的設(shè)計(jì)
圖4帶阻濾波器實(shí)物圖
采用安捷倫公司的E8363B矢網(wǎng)測(cè)試,測(cè)量結(jié)果如圖5所示。測(cè)量結(jié)果顯示:阻帶衰減在10.9GHz-12.7GHz范圍內(nèi)大于48dB,其邊帶特性較仿真有一定的惡化,在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn):無(wú)論調(diào)節(jié)那個(gè)一諧振,其第二個(gè)通帶(13.5-18GHz)的駐波變化很小,基本上沒(méi)有改善,而第一個(gè)通帶(2-10.1GHz)的駐波均可以通過(guò)調(diào)試使其小于2,可調(diào)性很高。分析出現(xiàn)以上情況的原因,一是軟件求解存在的仿真誤差,二是加工誤差的引入,三是部分結(jié)構(gòu)參數(shù)不可調(diào),只能調(diào)節(jié)各個(gè)諧振支線的電長(zhǎng)度,其耦合不可調(diào),導(dǎo)致第二通帶駐波有一定的惡化。可以通過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化仿真,提高加工精度,適當(dāng)減小諧振短截線的長(zhǎng)度,改善高端的駐波比,通過(guò)調(diào)諧釘補(bǔ)償諧振器的電長(zhǎng)度,以達(dá)到改善濾波器性能的目標(biāo)。
濾波器的設(shè)計(jì)
圖5帶阻濾波器測(cè)量曲線
4結(jié)論
本文采用支線式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種中等阻帶帶寬的帶阻濾波器,使用懸置帶線結(jié)構(gòu)獲得較高的Q值,陡峭的邊帶過(guò)渡特性,該濾波器還具有低成本、易于加工的優(yōu)點(diǎn),滿足工程應(yīng)用的需要。
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