～技=术=交二流～ 76 

Ku波段发夹型滤波器的设计 滤波器 的性 能 由以下参 数确 定 ：发 夹谐振 器的 臂长 Qo(Qo为发夹谐振回路的品质因数)时，Eigenmode ， 间~Es73线 宽w和抽 头位 置，。其 中发夹谐 振器 臂 长 为 simuIation仿真可得 到两个 模的谐振 频率，分 别记 为 l ，其中九 ：九 ／√ ， 。是滤波器中心频率上 和 2 ( l 2)，则耦 合系数k用下式计算： 的 自 由空 间传 播 波 长 ，当谐 振 器 线 宽 W与 板 厚 h的 比值 小 于 2 时，有效介电常数 e， 由式(1)确定 ，其 中 为基片的相对介 电 常 数 ： ￡ = + = 糕 根 据 公 式 (2)应 用 HFSS软 件 中 Eigenmode simulation经大量仿 真计 算得到耦合 系数与 间距的关系 曲 发 夹 型 滤 波 器 广 为 应 用 在 微 波 低 频 段 。 在 Ku波 段 应 用 时，滤波器 结构已经变得十分 紧凑， 为保 证设计精度， 介质板介 电常数一般 选用较小 ，而使得线 宽W增 大 (发卡 式滤波器 的特性阻抗选取 为75欧姆 )。同时随着工作频率 的 提 高 ， 工 作 波 长 减 小 ， 半 波 阵 子 长 度 也 随 之减 小 ， 同 时 这些因素造成了谐振器臂长为L ／4与线宽w的比值急 ／ 剧 增 大 ， 传 统 的 开 环 谐 振 器 结 构 已经 不 适 合 于 Ku波 段 应 用，需对其结构进行一定的修正。 圜 困 圜 园 图1 抽头发夹线谐振器 如 图1为抽头 发夹线谐 振器修 正结构 。谐振 器采 用U 字 型 结 构 ， 弯 角 处 采 用 50％切 割 直 角 弯 角 ， 进 入 Ku波 段 U 字型谐振器结构 中直 角弯角的长度 已不可 忽略，这里计算 为 0_7倍 线 宽 。 抽 头 与5O欧姆 微 带 线 匹 配 ， 并 加 入 一 段 渐 变线， 以减 小不连续效应 对谐振器 的影响 。减小 U字结 构 图2 Ku波段耦合系数修正 曲线 中平 行双线 间距 离a，使其 在0．8～1．5倍线宽之间。 由图2中关 系曲线 可知 ，耦合 系数k随着发 夹间距 的 根据 耦合相 关理 论， 两个 谐振器 间的耦合 根据 谐振 增加而减 小 。同时耦合 系数 k随w／h变化， 当w／h增加时， 器放 置 的相 对 位 置可 分 为 电耦合 ， 磁耦 合 和混 合 耦合 3 耦 合系数k减小。 同时耦合 系数k随着介电常数的增加而减 种，实际应用 中多采用 混合耦合 。耦合 间距s和耦合 系数 k 小 。修 正后 的发 夹线谐 振器 在Ku波段 得到 的耦合 系数 曲 有对应关 系。其关 系可 作实验 求取 ，这里通 过HFSS软件 线 ，与低 频段 常用的耦合 系数 曲线存在较 大差异 ，图2对 中 Eigenmode simulation仿 真求得 。 当耦合 系数 大于1／ 发 夹线 滤波器在Ku波段的设计应用有一定参考价值 。 待 设计 滤波 器相 邻谐 振器 间耦 合系数 一般 使用 下面 2009．2。广东通信技术 

技 术 交 流 的通用计算公式： 度：h=O．508 mm；敷铜层厚 度为35“m；印制板加工 中 ‰ 。： a]g~gi+ i=1,2,．--,n-1 (3) 式 中 ， i是 发 夹 式 谐 振 器 的 序 号 ， F B W = 镀 金 层 厚 度 为 0．2 um。 3．3 参数计算 发 夹 线 滤 波 器 的 带 宽 总 是 II~ii应 的 半 波 长 平 行 耦 合 一 ， 为相 对中J 频率 的归一化 蹦 滤 线 滤波器 的带 宽窄 一些， 因此在 开始设 计时应 该选 择带 宽稍 为宽一些 的半波长平行 耦合线滤 波器，这里取 为1．4 波 器 低 通 原 型 中 第 i个 归一 化元 件 值 ，n为 滤 波 器 的 阶 数 。 由 倍 ， 即 ： (3)式及图1可确定发卡式谐振器的ie~gs。 FBW =1．4×0．5／12．5=0．056 在 采用抽头线耦 合的方式 时，发卡式谐振 器的抽 头位 线 宽取0．75 mm，臂间距取0．75 mm。用式(3)求得耦 置 可 由 下 式确 定 2L ． ，= — — arcsln 兀 合 系 数 为 ： 2= J=0．042 ； K2j=K34=0．033 由耦合 系数 根据图2求得发夹间距。用式 (4)求得 抽头 位置。计算结果如下 ： 圈 困 国 圈 式 中￡= ，R是 抽头线的特性阻抗， z。是发 卡 式滤波器的特性阻抗， ，是抽 头微带线到发卡式谐振器 中 s~=0．74 mm = 472 mm s2=0．87 mm t=0．604 mm 间位置 的距离 ，Q=旦 是 发卡式谐振器 的外部耦 合 仃 。 考 虑到微 带线 的终端 开路效应 ， 四分之一 波长微带 FBW 线 的修正 长度为：4．472—0．44k=4．472—0．44×0．508= 系数 。 4．248 m m 。 3 微波滤波器 的设计 3．1 已知相关参数 "'I'I U fi U I'P" 根 据实际工 程的需要设计 一个Ku波段抽 头发夹线 微 图3 发夹线滤波器版 图 带 滤 波 器 ， 滤 波 器 指 标 要 求 如 下 ： 中 心 频 率 为 12．5GHz， 通带频率 ：1 2．25GHz~1 2．75GHz；带内波纹： 0 5 dB； 带外抑制：10．35GHz时衰减大于40 dB。 3．2 确定滤波器的结构 我们设 计的是 抽头 发夹线耦 合微带 线带 通滤波 器 。 根据 相 关参数 计算 滤波 器选 用5阶通 带纹 波 为0．2 dB的 Chebyshev滤波器，其低通原型参数为： g0=g6=1．0； 根据 上面设计 的参 数作 为原始参 数，初 步确定 发卡 式滤波器的具体尺寸 。利用Ansoff Designer软件建立仿真 电路 图，进 行模拟 、调谐 、优 化，在HFSS软件 中进行仿 真 ， 得 到 滤 波器 的频 率 特 性 如 图 4所 示 。 发夹线 滤波器较 多应用 于微波低频 段，进．N．Ku波段 后 ，相 关的理论计算公式 已存在一定 的误 差，在仿真结果 中其主要表现 为出现一定 的频偏和驻波特性 变差 。因此， 在微波 电路设计 中，优化 已经成 为不可缺少 的不分 。优化 gl= g5=1．3394； g2= g4= 1．3370； g3：2．1660。 算法 中随机算法 与梯度算法最 为常用，一般 为两者交替使 基板选 用Taconic公司的TLY-5型微 波介质板，介 电常 用 。经优化得到理想的模型 电路仿真结果 。 数 ： ￡ = 2．2； 损耗 角正 切 ：tanD=0．0009； 基板 厚 由于 计算原 理方 法不 同，相 同电路 的三 维 电磁仿真 78 

结 果 与 模 型 仿 真结 果 比 较 存 在 一 定 差 别 。三 维 电 磁 仿 真 结 果 与实 际测试 结果 比较 接近 ，然 而三维 电磁仿 真计 算量 大，对 电路 的调 整需要在模型 电路 中进 行。本文 中设计 的 微 带 发 夹 滤 波 器 三 维 电磁 仿 真 结 果 比模 型 仿 真 结 果 中 心 频率 向高频端偏移， R Sl1曲线恶化 。经大量仿真 对 比说 明，保持 模型仿真 电路 的切 比雪夫(等波纹 )特性，可 以较 好地解决 三维电磁仿 真结果 中S11曲线 恶化 问题 。频率偏 移 可 通 过 参 数 调 谐 实现 ， 主 要 微 调 节 臂 长 ， 同 时 调 谐 其 它 参量 以保 证电路 的切 比雪夫(等 波纹)特 性。经反复调 谐 、 优 化 得 到 理 想 结 果 。 ，， 、、 … ” I |『＼I 『- ： 、、 、 、 ’ 一 ∽ ∽ ∞ ∞ -c) _c， (a)优化后滤 波器模 型仿真结 果 f／GHz Ku波段发 夹型 滤波器的设计 M arkers 1： 43．116 dB lO 35GHz 3：．3．529 dB 】2．25GHz 4：一3．262 dB l2．75GHz 图5 滤波器性能实测 曲线 4 结束 语 微 带抽 头线 发夹 带通 型滤波 器具 有结 构紧凑 ，尺 寸 小，重 量轻和成本低等优点 ，在微波低频段得到 了广为应 用 ，本文 经分 析对 比验证 了发 夹结构 带通型 滤波器 在Ku 频段仍具 有较高实际应用价值 。而诸如Ans0fc等CAD软件 可 以大幅 缩短射 频／微 波电路 的设计 周期， 减少 了设计成 圜 困 国 园 本 ，且能获得较 好的性能指标，测试 结果与设计预期有较 好 的 一 致 性 。 参考文献 1 李 明洋，郭陈江 微 带抽 头线发卡型 滤波器设 计【J】_微 电子与 基础产 品，2003，29(9)：57-60 2 Hong Jia—sheng，Lancaster M J．Microstrip filters for RF／ microwave applications[M]．New York：John Wiley&Sons． Inc ，2001．29-133 3 顾 其诤，项 家桢 ，袁孝康 ．微 波集成 电路设 计【M】．北京：人民 f7GHz 邮 电 出版 社 ，1978， 208-218 (b)滤波器的三维 电磁仿真 结果 4 Hong J S．Lancaster M J．Couplings of m icrostrip square 图4 滤波器仿真结果 open—loop resonators for Cross—coupled planar microwave 使 用Agilent 8720ES网 络 分 析 仪 测 试 制 作 的滤 波 器 ， 传输 系数dB(S21)测量结 果如 图5所示 。由图5和图4 (b) 比较可 见，测试结果 与仿真结果 吻合得 非常好 。可以看到 ， filters[J]．IEEE Trans．Microwave Theo~Tech．，1996，44 (12)：2 099—2 10g 5 Wong J S．Microstrip Tapped-Line Filter Design[J]IEEE Transactions on M icrowave Theo~ and Techniques ， 1 979， 滤 波 器 在 频 率 小 于 1 1．3GHz和 大 于 1 3．5GHz处 的衰 减 可 达 27(1)：44～50 到40 dB以上．测试结果 与Designer优化仿 真得 到的结果基 (收稿 El期：2008-12-20) 本一致 ，满足指 标要 求。 2009．2。广东通信技术 79