申呈潔,錢(qián)國(guó)明

（南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

近年來(lái)，隨著微波、毫米波通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，新型通信設(shè)備向電子設(shè)備提出了更高更具體的要求，尤其是對(duì)濾波器和多工器。濾波器是現(xiàn)代微波、毫米波通信技術(shù)中極其重要的部分，它在微波、毫米波通信、微波導(dǎo)航、遙測(cè)遙控、衛(wèi)星通信等多個(gè)領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色，其性能的優(yōu)劣往往會(huì)直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)質(zhì)量。隨著微波、毫米波技術(shù)的迅速發(fā)展，迫切需要研制具有低損耗、寬阻帶帶寬、高選擇性、結(jié)構(gòu)緊湊等特性的微波濾波器[1]。

平行耦合線濾波器、梳狀線濾波器和交指濾波器等都是微帶濾波器常采用的形式，但這些形式的濾波器往往存在著各自的缺陷。例如平行耦合線濾波器由于各平行耦合節(jié)在一個(gè)方向上級(jí)聯(lián)，故尺寸較大。梳狀線濾波器和交指濾波器則需要接地過(guò)孔，這樣在高頻情況下就會(huì)不可避免地引入誤差，以上因素限制了這些形式的推廣應(yīng)用。微帶發(fā)夾型諧振器作為一種常見(jiàn)的諧振器，通過(guò)適當(dāng)?shù)鸟詈贤負(fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的濾波器可以看成是諧振腔濾波器在平面的應(yīng)用特例。它一方面結(jié)構(gòu)比較緊湊，減小了尺寸、重量和成本；另一方面不需要接地，消除了過(guò)地孔引入的誤差，比平行耦合線濾波器和梳狀線交指濾波器有更好的電性能，因而在微波平面電路中使用較多[2]。

在一個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)射頻信號(hào)頻率與中頻信號(hào)頻率的關(guān)系為N:1，在進(jìn)行解調(diào)時(shí)，射頻信號(hào)及本振信號(hào)會(huì)作為高次諧波混入中頻信號(hào)，對(duì)中頻信號(hào)產(chǎn)生干擾。因此在進(jìn)行微帶濾波器的設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)高次諧波進(jìn)行有效抑制，使之對(duì)中頻信號(hào)不產(chǎn)生影響，才能達(dá)到通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

現(xiàn)有的對(duì)于帶通濾波器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行有效抑制的方法有以下幾種：

1)在帶通濾波器后加上低通濾波器或帶阻濾波器；

2)采用矩形調(diào)諧短截線的共面波導(dǎo)饋入電容微帶折疊L型槽天線結(jié)構(gòu)[3]；

3)引入阻抗階梯跳變的階躍阻抗諧振器[4]；

4)在傳統(tǒng)平行耦合濾波器末端加載開(kāi)路短截線[5]；

5)采用兩種具有雙等效電路的諧振器[6]；

6)利用電磁帶隙結(jié)構(gòu)的阻帶特性[7]。

這幾種電路雖然已經(jīng)展示出一些優(yōu)良的諧波抑制特性，但其設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜且諧波抑制效果一般。文中提出了一種用于抑制高次諧波的微帶發(fā)夾型濾波器，通過(guò)在傳統(tǒng)發(fā)夾濾波器結(jié)構(gòu)之后采用短路短截線與高次諧波四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路短截線并聯(lián)諧振的結(jié)構(gòu)，能夠在不影響中頻信號(hào)情況下，很好的抑制高次諧波帶來(lái)的干擾。并采用微帶徑向短截線(MRSTU)擴(kuò)大抑制諧波帶寬，實(shí)現(xiàn)高次諧波寬帶抑制，并可進(jìn)行諧波次數(shù)選擇性抑制。

1 發(fā)夾濾波器的設(shè)計(jì)

發(fā)夾型濾波器是由發(fā)夾型諧振器并排排列耦合而成，設(shè)單元電路的矩陣A為：

其中Z0e為耦合微帶線奇模特性阻抗，Z0o為耦合微帶線偶模特性阻抗，θ為耦合微帶線電長(zhǎng)度。將該單元等效成一個(gè)導(dǎo)納倒置轉(zhuǎn)換器J和其兩邊的電長(zhǎng)度為θ的兩段傳輸線，特性導(dǎo)納為。所示結(jié)構(gòu)如圖1所示。

因此可得：

由于微帶線耦合單元與等效電路單元的A矩陣相等，則可求得奇偶模特性阻抗為:

圖1 諧振器結(jié)構(gòu)單元Fig.1 Resonator structure unit

gi為低通原型濾波器元件值[8]。

由公式(3)、(4)可確定發(fā)夾型濾波器耦合單元的奇偶模參數(shù)Z0e和Z0o。得到奇偶模參數(shù)之后，即可求得微帶線條寬度、微帶線間距、以及微帶線條的長(zhǎng)度。應(yīng)用ADS對(duì)所得參數(shù)進(jìn)行仿真，原理圖如圖2所示。

圖2 發(fā)夾濾波器原理圖Fig.2 Hairpin filter

通過(guò)仿真及優(yōu)化可得此發(fā)夾濾波器參數(shù)，如圖3所示。

由圖3可知，2G信號(hào)衰減為0.759 dB，8G信號(hào)衰減為4.479 dB，10G信號(hào)衰減為3.911 dB，可見(jiàn)8G及10G的高次諧波對(duì)2G中頻產(chǎn)生了很大干擾，這將對(duì)下一步進(jìn)行信號(hào)解調(diào)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此需對(duì)高次諧波進(jìn)行有效抑制，才能達(dá)到系統(tǒng)有效性能。

2 新型諧波抑制結(jié)構(gòu)及原理

針對(duì)圖3所示的8G與10G高次諧波，若要濾除8G諧波，需先在發(fā)夾濾波器后加上一段8G的四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路短截線。已知終端有載傳輸線的輸入阻抗：

圖3 發(fā)夾濾波器參數(shù)仿真圖Fig.3 S(2,1)of hairpin filter

其中 β=2π/λ 。 當(dāng) d=λ/4 時(shí)有：

因?yàn)樗姆种徊ㄩL(zhǎng)開(kāi)路短截線ZL=∞，則Zin=0，等效于短路接地，因此8G信號(hào)被抑制[9]。

這里開(kāi)路短截線起到了陷波的作用，將電路中8G的無(wú)用信號(hào)濾除。由于要求在2G處通帶保持良好，因此須建立一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在無(wú)線電技術(shù)中，通常應(yīng)用并聯(lián)電路諧振時(shí)呈現(xiàn)阻抗最大的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行選頻?？紤]到開(kāi)路短截線等效于電容，短路短截線等效于電感，兩者并聯(lián)等效于構(gòu)成了一個(gè)LC諧振電路。

由于諧振電路中電感感抗值與電容容抗值大小相等，相位相反，即ZL≈-ZC。則可得諧振電路總阻抗Z=∞。由于2G發(fā)夾濾波器輸出阻抗為50Ω，當(dāng)并聯(lián)諧振阻抗Z后阻抗仍為50Ω。因此這種結(jié)構(gòu)在有效抑制8G信號(hào)前提下，對(duì)2G中頻信號(hào)不產(chǎn)生影響。根據(jù)并聯(lián)諧振原理建立原理圖并進(jìn)行仿真優(yōu)化，諧波抑制原理圖及仿真數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。

圖4 8G諧波抑制原理圖Fig.4 8G harmonic suppression

圖5 8G諧波抑制圖Fig.5 8G harmonic suppression

由圖5所示，2G信號(hào)衰減為0.821 dB，8G信號(hào)衰減為47.658 dB，可見(jiàn)通過(guò)此結(jié)構(gòu)可在不影響2G信號(hào)的前提下，有效的抑制了8G諧波。根據(jù)抑制8G諧波的原理，對(duì)10G信號(hào)做相同處理，即可完成對(duì)10G諧波的有效抑制。

由于諧波四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路短截線是固定的，要使諧振電路諧振于2G，從而對(duì)2G信號(hào)不產(chǎn)生影響，因此必須通過(guò)改變短路短截線長(zhǎng)度，使用ADS進(jìn)行優(yōu)化，使其諧振于2G。

在使用ADS進(jìn)行優(yōu)化仿真后，發(fā)現(xiàn)使用直微帶短截線效果沒(méi)有達(dá)到諧波寬帶抑制要求。這時(shí)選用MRSTUB，即微帶徑向短截線來(lái)代替直微帶短截線。直微帶短截線具有較高的Q值，所以它適合在頻帶較窄的情況下使用，而微帶徑向短截線MRSTUB具有比直微帶短截線在更寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低Q值的優(yōu)點(diǎn),更加適合在寬頻帶中使用[10]。通過(guò)對(duì)MRSTUB的寬度、長(zhǎng)度、張開(kāi)的角度值分別進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)在微帶徑向短截線與短路短截線之間串上一段微帶線，并調(diào)節(jié)微帶線長(zhǎng)度可以更加有效的降低諧振電路Q(chēng)值，擴(kuò)大抑制諧波帶寬。仿真原理圖及結(jié)果如圖5、6所示。

圖6 高次諧波抑制原理圖Fig.6 of high harmonics

仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖6所示，2G信號(hào)衰減達(dá)到0.955 dB，8G信號(hào)衰減達(dá)到44 dB，10G信號(hào)衰減達(dá)到了65 dB。即在不影響2G信號(hào)的前提下，高次諧波被有效進(jìn)行了寬帶抑制，寬帶達(dá)到200MHz。在對(duì)高次諧波進(jìn)行寬帶抑制的同時(shí)，采用此結(jié)構(gòu)可進(jìn)行諧波次數(shù)可選，即可有針對(duì)性的對(duì)某一諧波進(jìn)行寬帶抑制，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖7 高次諧波抑制圖Fig.7 High harmonic suppression

3 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)發(fā)夾濾波器[11-12]中混入的高次諧波干擾問(wèn)題，本文提出了一種采用短路短截線與高次諧波四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路短截線并聯(lián)諧振的方法。在不影響中頻信號(hào)的前提下，可對(duì)高次諧波進(jìn)行有效抑制。同時(shí)通過(guò)在開(kāi)短路支節(jié)之間串聯(lián)一段微帶徑向短截線線，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的寬帶抑制。利用ADS進(jìn)行仿真優(yōu)化，仿真結(jié)果表明此系統(tǒng)可在將中頻信號(hào)衰減保持在1 dB內(nèi)，并將高次諧波衰減抑制于40 dB以下。這種新型的微帶發(fā)夾濾波器在結(jié)構(gòu)和性能上都有較大的優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于多種微波通信系統(tǒng)中。

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