龔文斌

一種新型寬阻帶管狀帶通濾波器的設(shè)計(jì)?

龔文斌

（成都天奧電子股份有限公司，成都611731）

為改進(jìn)原管狀帶通阻帶特性，設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)?；谧杩蛊ヅ洌稍诙祟^引入任意多“Г型”網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)其衰減極點(diǎn)能有效抑制“諧振峰”狀寄生，阻帶拓寬多達(dá)1倍頻程（現(xiàn)為1.27 f0～17 f0）。改進(jìn)后，濾波器具有低插損（小于等于0.77 dB）、輕量化（小于等于64 g）、高寄生抑制（大于等于75 dB）等特點(diǎn)。目前，該濾波器已成功小批量應(yīng)用，提高了整機(jī)抗干擾性能。在電磁環(huán)境日益復(fù)雜的雷達(dá)、通信系統(tǒng)中，它將有著廣闊的應(yīng)用前景。

帶通濾波器；寄生抑制；寬阻帶；管狀濾波器；Г型網(wǎng)絡(luò)；衰減極點(diǎn)

1 引言

現(xiàn)代無(wú)線偵測(cè)、無(wú)線通信中設(shè)備面臨的電磁使用環(huán)境已日趨擁擠和異常復(fù)雜［1］。為免遭干擾，帶通濾波器成為接收中常使用的模塊之一?，F(xiàn)階段射頻工程師在設(shè)計(jì)中，除關(guān)注濾波器插入損耗、矩形系數(shù)、阻帶衰減等常見(jiàn)指標(biāo)外，也正密切關(guān)注其寬阻帶特性［2］。PBG、SIR等對(duì)諧波抑制的應(yīng)用［3］也自然成為目前人們研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，IEEE關(guān)于此類內(nèi)容也有較多探討。因?yàn)檫@一指標(biāo)決定了在多寬頻段范圍內(nèi)接收機(jī)可不受干擾的程度，同時(shí)也體現(xiàn)了接收系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境中的適應(yīng)、生存能力。

管狀濾波器是一種半集總參數(shù)濾波器。在目前廣泛應(yīng)用的濾波器中，其結(jié)構(gòu)獨(dú)特。相比之下，它具有相對(duì)“寬阻”和“高Q”的特點(diǎn)。但美中不足的是：寬阻帶內(nèi)，仍會(huì)有少數(shù)“諧振峰”狀寄生出現(xiàn)，如文獻(xiàn)［4］中的測(cè)試結(jié)果。本文設(shè)計(jì)實(shí)例在研制初期采用常規(guī)設(shè)計(jì)也存在類似問(wèn)題，不滿足研制要求。如能在其基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，無(wú)論是較單純的腔體、LC、微帶濾波器，還是較級(jí)聯(lián)方式的復(fù)合濾波器，將得到結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)潔、寬阻特性相對(duì)理想的帶通濾波器。

2 Γ型匹配網(wǎng)絡(luò)

進(jìn)行濾波器電路設(shè)計(jì)前，先介紹需插入的Г型網(wǎng)絡(luò)。

2.1 阻抗變換器

對(duì)于終端接有負(fù)載電阻為RL、自身特性阻抗為Z0、長(zhǎng)度為l的無(wú)耗傳輸線來(lái)說(shuō)，其輸入阻抗Zin可表示為

式中，β為傳播常數(shù)。當(dāng)βl=π／2，即l=λ／4= c／（4 f）（c為光速），有：

此時(shí)輸入、輸出實(shí)現(xiàn)近似完全匹配。利用上述特性，可在端口阻抗為R的帶通濾波器兩端插入任意多個(gè)阻抗變換器而保持原濾波特性不變，如圖1所示。

滿足式（3），可保證輸入、輸出匹配：

2.2 阻抗變換器的Γ型網(wǎng)絡(luò)等效

阻抗變換器在窄帶條件下，有著多種等效網(wǎng)絡(luò)。其中帶傳輸零點(diǎn)的Г型網(wǎng)絡(luò)有著圖2所示的結(jié)構(gòu)，因其外型酷似“Г”而得名。雖貌似橢圓函數(shù)低通，但兩者有區(qū)別：一是結(jié)構(gòu)不同且Г型網(wǎng)絡(luò)元件較少；二是對(duì)多個(gè)寄生的抑制中，Г型網(wǎng)絡(luò)中抑制頻率既可完全相同也可不同，且任意指定，而后者卻不能。因此Г型網(wǎng)絡(luò)有著較高的抑制效率。

圖2 中，若要網(wǎng)絡(luò)兩端在ω0=2πf0附近實(shí)現(xiàn)匹配，應(yīng)有：

式（4）左右兩邊實(shí)部、虛部分別相等，有：

聯(lián)立式（5）和式（6）（見(jiàn)2.3節(jié)）可解出匹配網(wǎng)絡(luò)中L1、C1、C2元件值。

2.3 Γ型網(wǎng)絡(luò)中的衰減極點(diǎn)

并聯(lián)于網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端的電感、電容在傳輸特性中會(huì)引入衰減極點(diǎn)。通過(guò)移動(dòng)極點(diǎn)位置和控制衰減幅度可改善原有寄生響應(yīng)。

對(duì)于阻帶內(nèi)需抑制頻點(diǎn)為fR的寄生峰，有：

網(wǎng)絡(luò)中：C1的減小可加大衰減極點(diǎn)處衰減幅度；L1的變化可移動(dòng)極點(diǎn)出現(xiàn)的位置；C2可補(bǔ)償C1、L1發(fā)生變化后引起的帶內(nèi)失配。了解這些對(duì)于調(diào)試很有幫助。

2.4 Γ型網(wǎng)絡(luò)的物理實(shí)現(xiàn)

若計(jì)算結(jié)果中：C1較大時(shí)，可采用微帶引腳的集總電容跨接實(shí)現(xiàn)；C1較小時(shí)，可采用兩金屬電極空間耦合或控制電極間相對(duì)面積實(shí)現(xiàn)；L1較大時(shí)，可采用螺旋電感實(shí)現(xiàn)；L1較小時(shí)，可采用低阻抗金屬短桿或多電感并聯(lián)實(shí)現(xiàn)；C2采用同軸傳輸線并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)，且易與原常規(guī)設(shè)計(jì)的管狀濾波器相連。

3 帶Γ型網(wǎng)絡(luò)的管狀濾波器設(shè)計(jì)

3.1 技術(shù)要求

某接收機(jī)中，需研制出滿足下列指標(biāo)的帶通濾波器：中心頻率為f0（L頻段）；通帶帶寬為0.92 f0～1.08 f0（相對(duì)帶寬16%）；帶內(nèi)插損小于等于0.85 dB；帶內(nèi)幅度不平度小于等于±0.1 dB；帶內(nèi)電壓駐波比小于等于1.3；DC～0.66 f0和1.27 f0～17 f0抑制大于50 dB；重量小于70 g。

由此可見(jiàn)，寬阻帶、低插損和輕量化是本濾波器研制的技術(shù)難點(diǎn)。

3.2 設(shè)計(jì)思路

首先找出需要抑制的寄生諧振峰出現(xiàn)位置和數(shù)量，再?zèng)Q定引入Г型網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和抑制頻點(diǎn)，最后通過(guò)整體仿真、局部參數(shù)修正，確認(rèn)指標(biāo)達(dá)到情況后完成設(shè)計(jì)。

3.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.3.1 寄生峰出現(xiàn)位置和數(shù)量的確定

就本濾波器而言，對(duì)其寄生的分析不能依賴解析式求解，因誘發(fā)原因較為復(fù)雜，如空間結(jié)構(gòu)、器件雜散參數(shù)等，易在電路建模中漏項(xiàng)而得不到準(zhǔn)確結(jié)果。三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS通過(guò)場(chǎng)的分析計(jì)算，能提供較為可信的結(jié)果。經(jīng)實(shí)踐，其對(duì)管狀濾波器的仿真和試驗(yàn)結(jié)果（圖3）較吻合，這也驗(yàn)證了將HFSS作為抑制寄生分析手段的可行性。

經(jīng)考慮，在原設(shè)計(jì)中引入兩個(gè)Г型網(wǎng)絡(luò)，對(duì)9.2 f0附近寄生進(jìn)行抑制。令fR=9.2 f0，Ra=50Ω，Rb= 57Ω，代入式（5）、式（6）可得相應(yīng)L1、C1、C2元件值。

3.3.2 原切比雪夫管狀帶通濾波器設(shè)計(jì)

管狀帶通濾波器常規(guī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

電路中：

式中，w為濾波器相對(duì)帶寬，ω0為濾波器中心頻率，R為負(fù)載阻抗，gi（i=0，1，…，n）為低通原型元件值。

經(jīng)核算，采用6階切比雪夫帶通濾波器（帶內(nèi)波紋為0.02 dB）實(shí)現(xiàn)，由式（7）～（12）得到相應(yīng)元件值。

3.3.3 總體設(shè)計(jì)

為避免輸出電感與兩端高頻連接器內(nèi)導(dǎo)體直接相連造成結(jié)構(gòu)上的不穩(wěn)定，端接同軸線小電容C00=0.7 pF加以改進(jìn)。將設(shè)計(jì)好的兩個(gè)Г型網(wǎng)絡(luò)插入原電路，見(jiàn)圖5。再對(duì)電路對(duì)地電容種類簡(jiǎn)化。經(jīng)優(yōu)化，設(shè)計(jì)達(dá)最佳狀態(tài)。

圖5 中：L1=10 nH，L2=23.1 nH，L3= 31.37 nH，L4=31.8 nH，C00=0.7 pF，C0=2.26 pF， C1=0.039 pF，C2=1.36 pF，C3=1.12 pF，C4= 0.51 pF，C5=0.39 pF，C6=0.35 pF。

3.3.4 物理尺寸的確定

（1）低阻抗同軸傳輸線并聯(lián)電容

物理實(shí)現(xiàn)中，并聯(lián)對(duì)地電容C由同軸線靜電容和邊緣分布電容Cf兩部分構(gòu)成，其關(guān)系見(jiàn)公式（13）：

式中，a為內(nèi)導(dǎo)體半徑，b為外導(dǎo)體半徑，ε0=8.85 ×10-15F／m，εr為相對(duì)介電常數(shù)，Cf可利用保角變換求得。文獻(xiàn)［5］給出了相應(yīng)的計(jì)算圖表，可快速查詢結(jié)果。

（2）螺旋電感、串聯(lián)電容

文獻(xiàn)［6］提出了一種利用HFSS和S參數(shù)曲線擬合法相對(duì)比提取螺旋電感、串聯(lián)電容等效參數(shù)的方法。經(jīng)實(shí)踐，該方法具有較高的設(shè)計(jì)效率。

綜合各部分設(shè)計(jì)，濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6，其相應(yīng)參數(shù)如下：d0=0.8mm，d1=3.7mm，d2= 1.2mm；CC0=4.5mm，CC1=0.8mm，CC2= 1.0mm，CC3=1.1mm；L0內(nèi)徑2.5mm，1.2圈，L1內(nèi)徑2.5mm，2.2圈，L2內(nèi)徑3mm，2.2圈，L3內(nèi)徑3mm，2.3圈。

圖6 中，圓筒內(nèi)卷有0.4mm厚的聚四氟乙烯介質(zhì)。

由此在HFSS中建立仿真模型。經(jīng)多次優(yōu)化和參數(shù)修改，得到較理想的仿真結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖7～9是改進(jìn)后的管狀濾波器實(shí)物照片及其測(cè)試曲線中阻帶近、遠(yuǎn)區(qū)抑制情況。

從圖8、圖9可看出：改進(jìn)后的管狀濾波器通帶內(nèi)插損小于等于0.77 dB，較改進(jìn)前增大約0.1 dB；帶內(nèi)波動(dòng)約±0.05 dB；駐波比小于等于1.12；0.66 f0、1.27 f0處抑制均大于50 dB；在易出現(xiàn)寄生的頻率高端（1.35 f0～17 f0范圍內(nèi)）抑制大于75 dB，較改進(jìn)前提高約42 dB。測(cè)試結(jié)果與仿真吻合，證明了設(shè)計(jì)方法的有效性。濾波器重量實(shí)測(cè)為64 g，較改進(jìn)前增加了8 g。

與文獻(xiàn)［4］中類似產(chǎn)品的對(duì)比中，寄生通帶出現(xiàn)位置由9.2 f0延伸至17 f0以上，阻帶拓寬1倍頻程以上，同時(shí)幅度抑制提高約20 dB。因其性能優(yōu)異，目前已成功小批量應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

從設(shè)計(jì)實(shí)例可看出，通過(guò)在常規(guī)設(shè)計(jì)中引入若干帶衰減極點(diǎn)的Г型匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管狀帶通濾波器阻帶任意頻點(diǎn)諧振峰狀寄生的抑制，同時(shí)也獲得了較理想的寬阻效果。Г型網(wǎng)絡(luò)等效雖然是在窄帶條件下得到的，但多節(jié)阻抗變換器的級(jí)聯(lián)可展寬帶寬，寬帶條件下匹配也可通過(guò)Г型網(wǎng)絡(luò)多級(jí)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。新型管狀帶通濾波器具有低插損、寬阻帶、輕量化等特點(diǎn)，在電磁環(huán)境日益復(fù)雜的雷達(dá)、通信系統(tǒng)中，將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

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Design of a Novel Wide Stopband Tubular Bandpass Filter

GONGWen-bin
（Chengdu Spaceon Electronic Co.，Ltd.，Chengdu 611731，China）

A new structure is designed to improve the characteristics of original tubular filter′s stopband.Based on the impedancematch，it can be inserted arbitrary number ofГ-type networks at the ports.Meanwhile，its attenuation poles can effectively suppress the spurious of resonance hump.The width of rejection is broadened more than one octave（1.27 f0～17 f0now）.The improved filterswith the characteristics of low insert loss（≤0. 77 dB），lightweight（≤64 g），high spurious suppression（≥75 dB）are applied in batch at present.The antiinterference ability ofmachine in which the filter is applied is better.It has a good application prospect for the radar and communication systems inmore and more complex electromagnetic environment.

bandpass filter；spurious suppression；wide stopband；tubular filter；Г-type network；attenuation pole

the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2003.He is now an engineer and also a graduate student.His research concerns design of microwave circuits and devices.

1001-893X（2011）10-0099-05

2011-06-23；

2011-08-24

TN713

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.020

龔文斌（1981—），男，浙江義烏人，2003年于電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師、碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒉娐芳捌骷O(shè)計(jì)。

Email：gwb714＠163.com，13550067964＠139.com

GONGWen-bin was born in Yiwu，Zhejiang Province，in 1981.He