短截线级联发夹线的带通滤波器设计
第32卷第6期2010年12月
压 电 与 声 光
PIEZOELECTRICS&ACOUSTOOPTICS
Vol.32No.6Dec.2010
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5.0~5.5GHz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:TN713+.4 文献标识码:A
DesignofBandpassFilterwithStubCascadedHairpinResonators
WANGFei,MAShengqian
(CollegeofPhysicsandElectronicEngineering,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China)
Abstract:Aband passfilterwiththestub cascaded hairpinresonatorhasbeenproposedinthispapertoim provethelowsuppressionatthehighendofthestop bandofthemicro striphairpinfilter.Theharmonicsignalofthefilterhasbeensuppressedandthesuppressionatthehighendofthestop bandhasbeenimproved.Amicro stripband passfilteroperatedat5.0~5.5GHzofCbandhasbeendesignedbyusingtheADSsoftwareandthefilterhasbeenverifiedtheoreticallyandexperimentally.Themeasuredresultagreedwellwiththesimulation.Thedesignre quirementshavebeensatisfied.
Keywords:stublowpassfilter;hairpinfilter;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
[2]
[1]
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Agi
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5.25GHz、带宽500MHz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。采用本方案设计出的滤波器结构紧凑,性能好,具有很好的实用价值。
。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。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
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。
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
,,, s.q.ma@
第6期王 飞等:短截线级联发夹线的带通滤波器设计1067
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,当 =90!时,通过等效电路模型相应矩阵计算可得 Zoe|i,
i+1=1+Ji,i+1+
Y0Y0 Zoo|i,i+
1=1-Ji,i+1+Y0Y0
i,i+1
Y0i,i+1Y0
[4]
ZSCin=jZ0tan(!l)Zin=-jZ0
OC
(6)
(7)
tan(!l)
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。
(1)
2
(2)
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5.0~5.5GHz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2dB,回波损耗大于15dB;通带外(4.25GHz以下衰减大于30dB,6.25GHz以上衰减大于35dB)带内纹波为0.3dB,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0.508mm,介电常数为3.48,相对磁导率为1,敷铜厚为0.035mm,损耗角正切值为0.0034。
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0.2dB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iZoe|i,i+1
173.51462
57.0627
Zoo|
i,i+1
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Y0的传输线组合,如图2所示。导纳转置公式为
1/2
01=2g0g1Y0i,i+1-1/2
igi+1)= (g/2Y0
n,n+1
=Y0
2gngn+1
1/2
[5]
(3)(4)(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]
38.664544.5125
W/mm0.821.05
S/mm0.140.56
L/mm8.418.35
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6.5GHz后的频段谐波。设计时,低通滤波器的截止频率为5.5GHz,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。
。终端
1068压 电 与 声 光2010年
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。
实物加工。采用Agilent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5GHz的损耗为-1.9dB,5.5GHz的损耗为-1.7dB,滤波器在整个通带内实现了小于2dB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5GHz,插入损耗为-1.446dB;m2为频率5.5GHz,插入损耗为-1.664dB;m3为回波损耗,表示带内最大值为-15.039dB。
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.NINGJunsong,LUOZhengxian,YANGKai,etal.Designofbroad stopbandplanarlowpassfilters[J].ChineseJournalofElectronics,2008,2(2):342 345.[2][3]
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CRISTALEG,FRANKELS.Hairpin lineandhy bridhairpin line/half waveparallel coupled linefilters[J].IEEETransMicrowaveTheoryTech,1972,20(11):719 728.
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。
[4]HONGJiasheng,LANCASTERMJ.Microstripfil tersforRF/microwaveapplications[M].NewYork:JohnWiley&Sons,2001.
[5]DIYingjie,GARDNERP,HALLPS,etal.Multi ple coupledmicrostriphairpin resonatorfilter[J].IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters,2003,13(12):532 534.
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
[6]LUDWIGR,BRETCHKOP.射频电路设计###理论与应用[M].王子宇,张肇仪,徐承和等译.北京:电,