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基于倒置轉(zhuǎn)換的二次通帶抑制微帶濾波器

2013-04-29 00:44:03郭雪鋒方立軍
科技資訊 2013年9期

郭雪鋒 方立軍

摘 要:基于Butterworth帶通濾波器原型,應(yīng)用倒置轉(zhuǎn)換和Richards變換進(jìn)行微帶濾波器設(shè)計(jì),得到的濾波器具有較強(qiáng)的二次通帶抑制能力。對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行的仿真表明,濾波器3 dB通帶范圍4.1~4.9 GHz,對二次諧波處寄生通帶的抑制大于50 dB。本文的設(shè)計(jì)方法簡單高效,具有通用性;得到的微帶濾波器結(jié)構(gòu)小巧,易于實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞:二次寄生通帶抑制 微帶濾波器 倒置轉(zhuǎn)換 Richards變換

中圖分類號:TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2013)03(c)-0009-02

A Micro-Strip Filter with Powerful Suppression in the Second Spurious Band Based on Immittance Inverters

Guo Xuefeng, Fang Lijun

(No.38 Research Institute of CETC, Anhui Hefei 230088, China)

Abstract:From the prototype of Butterworth band-pass filter, using immittance inverters and Richards transformation, a micro-strip filter with powerful suppression in the second spurious band is designed. The simulation results show that the 3dB pass-band is 4.1~4.9 GHz, and the suppression on the second spurious band is larger than 50dB. The design methods introduced here are simple, high efficiency, and universal. The final micro-strip filter has a small structure and is easy to manufacture.

Key words:the second spurious band suppression;micro-strip filter;immittance inverter;Richards transformation

頻率源的諧波輸出會影響混頻器的線性度,通常需要一個(gè)帶通濾波器抑制頻率源輸出的高次諧波信號。在低頻段,基于Butterworth或Chebyshev原型的LC濾波器能夠滿足這一應(yīng)用。在微波頻段,也有許多高性能的濾波器能夠勝任這一工作,但大多數(shù)不能滿足頻率源小型化與集成化的設(shè)計(jì)要求。這時(shí)LC器件由于本身自諧振頻率的限制而不能使用,微帶濾波器成為一種較好的替代方法,如何設(shè)計(jì)高性能、小體積的微帶濾波器成為必須解決的問題。

在微波頻段,低通濾波器的實(shí)現(xiàn)可以對低通原型應(yīng)用Richards變換和Kuroda規(guī)則得到[1]。但由于帶通濾波器原型中含有的LC串聯(lián)電路沒有適用的Kuroda規(guī)則,因此無法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。常用的微帶帶通濾波器是平行耦合線結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是該濾波器的頻率響應(yīng)具有周期性,在通帶的諧波位置產(chǎn)生了寄生通帶。微帶濾波器寄生通的抑制方法通常有缺陷接地結(jié)構(gòu)(DGS)和階梯阻抗諧振器(SIR)[2]。但是這兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜,需要進(jìn)行專門的學(xué)習(xí)和研究。

鑒于VCO諧波能量依次遞減的規(guī)律,能夠抑制二次諧波的濾波器就能夠滿足基本的工程應(yīng)用。而Richards變換的特性使濾波器的頻率響應(yīng)被限制在[0,2f0]區(qū)間[3],從而在二次諧波寄生通帶處形成一個(gè)阻帶。為了利用這一特點(diǎn),本文應(yīng)用倒置轉(zhuǎn)換器把Butterworth帶通濾波器中的串聯(lián)LC電路變成能夠應(yīng)用Richards變換的并聯(lián)LC電路,最終完成濾波器設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明,濾波器3 dB通帶范圍4.1~4.9 GHz,對二次諧波處寄生通帶的抑制大于50 dB。本文的設(shè)計(jì)方法簡單高效,具有通用性;得到的微帶濾波器結(jié)構(gòu)小巧,易于實(shí)現(xiàn)。

1 倒置轉(zhuǎn)換[4]

最簡單的倒置轉(zhuǎn)換器就是λ/4傳輸線段。如果傳輸線段的特性阻抗為Z0,其端接負(fù)載為Z2,則經(jīng)λ/4傳輸線變換后的輸入阻抗??梢钥闯鯶1和Z2之間有倒置關(guān)系,Z2是容性,Z1就是感性。這樣就可以用一個(gè)并聯(lián)的LC諧振電路兩邊各接一段λ/4傳輸線等效串聯(lián)的LC諧振器。假設(shè)串聯(lián)諧振電路的電感量Ls,電容量Cs;并聯(lián)諧振電路的電感量Lp,電容量Cp,λ/4傳輸線特征阻抗Z0,它們之間有如下關(guān)系:

(1)

2 濾波器設(shè)計(jì)

本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是一個(gè)中心頻率 4.5 GHz,通帶800 MHz,二次寄生通帶抑制度50 dB的帶通濾波器。首先按照Butterworth原型設(shè)計(jì)濾波器。按式(1)式的關(guān)系做倒置轉(zhuǎn)換,把串聯(lián)LC諧振電路變成λ/4傳輸線和并聯(lián)諧振電路。為了微帶線布線方便,設(shè)置λ/4傳輸線的特征阻抗為100 Ω,然后應(yīng)用Richards規(guī)則,將并聯(lián)接地的電容電感替換成并聯(lián)開路或短路短截線。變換成微帶電路之后的仿真結(jié)果示于圖1。

對理想微帶濾波器的仿真表明,由于微帶線周期性的頻率特性,濾波器的頻率響應(yīng)也呈現(xiàn)周期特性,LC濾波器的頻率響應(yīng)被限制在[0,2f0]區(qū)間,在偶次諧波處表現(xiàn)為阻帶,在奇次諧波出表現(xiàn)為寄生通帶,而常用的平行耦合線帶通濾波器在每個(gè)諧波處都有寄生通帶。版圖中兩端為50 Ω微帶線,短路短截線通過接地孔接地。

由原理圖直接生成的版圖雖然可以制作,但面積過大,不宜應(yīng)用。這里對Richards變換做了一些調(diào)整,也就是不用λ/8的傳輸線做短截線,而是把短路短截線的特征阻抗做成100 Ω,并盡量短;開路短截線做成扇形,不但減小了短截線的面積,改善了濾波器性能,還具有一定的美觀性[5]。圖2是HFSS中的濾波器模型。最終的濾波器面積較小,僅為16.1 mm×8.4 mm。

調(diào)整后的版圖減小了濾波器的面積,但對頻率響應(yīng)有一定影響。首先是通帶頻率便窄,這一點(diǎn)可以通過將LC濾波器原型的通帶加寬進(jìn)行補(bǔ)償。其次是濾波器的頻率響應(yīng)不再具有規(guī)則的尖銳的阻帶特性。圖3是仿真結(jié)果,可以看出,由于Richards變換沒有使用λ/8的傳輸線做短截線,導(dǎo)致阻帶最低點(diǎn)沒有落在二次諧波處。雖然阻帶頻率有偏移,但濾波器在二次諧波處有50 dB的插損,仍然滿足本文的使用條件。最終濾波器仿真結(jié)果為3 dB通帶頻率4.1~4.9 GHz,對二次的諧波抑制達(dá)到50 dB。

3 結(jié)語

頻率源輸出端口鏈接的帶通濾波器能夠抑制頻率源輸出的高次諧波,提高混頻器的線性度,不可省略。為適應(yīng)頻率源小型化和集成化的趨勢,可以采用微帶濾波器完成這一功能。微帶濾波器具有易集成的優(yōu)勢,但通常諧波抑制性能較差。利用微帶線的頻率周期特性,可以設(shè)計(jì)出具有很強(qiáng)二次寄生通帶抑制性能的帶通濾波器。本文從LC濾波器的原型出發(fā),完整地闡述了LC帶通濾波器到微帶濾波器的轉(zhuǎn)換方法,并設(shè)計(jì)了一個(gè)微帶帶通濾波器。這種濾波器的設(shè)計(jì)方法簡單高效,具有通用性;得到的微帶濾波器結(jié)構(gòu)小巧,易于實(shí)現(xiàn);且比常用的平行耦合線帶通濾波器有更好的寄生通帶抑制作用。這種濾波器不僅可以用在頻率源的輸出端,也可以用在混頻器后,或任何二次諧波較嚴(yán)重的地方。

參考文獻(xiàn)

[1]王漢江,吳姣,楊維明,等.基于Richards變換與Kuroda規(guī)則的微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)仿真[J].湖北大學(xué)學(xué)報(bào),2010(4):398-402.

[2]馮豐.微波濾波器寄生通帶的抑制方法研究[D].上海:上海交通大學(xué),2007.

[3]ReinholdLudwing,PavelBretchko.射頻電路設(shè)計(jì):理論與應(yīng)用[M].王子宇,張肇儀,徐承和,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[4]清華大學(xué).微帶電路[M].北京:人民郵電出版社,1976:125-127.

[5]魏新泉,張紹洲.扇形微帶短截線型濾波器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007(23):77-79.

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