史春蕾,任禹,于佳鳴,馬振洋,田毅

(中國(guó)民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300300)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,飛機(jī)運(yùn)行的電磁環(huán)境日益復(fù)雜,機(jī)載電子系統(tǒng)、設(shè)備的電磁干擾問題對(duì)飛機(jī)的安全影響已不容忽視[1]。能夠阻隔無用信號(hào)的帶阻濾波器是民航通信、導(dǎo)航等航電系統(tǒng)、設(shè)備電磁干擾防護(hù)較為常用的方法之一。兼容PCB 工藝的小型化帶阻濾波器是目前的研究熱點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于帶阻濾波器的設(shè)計(jì)主要采用階梯阻抗諧振器[2-3]、缺陷地[4-5]、耦合線[6-13]等結(jié)構(gòu)。階梯阻抗諧振器可以增強(qiáng)帶阻濾波器的阻帶衰減,但阻帶帶寬較小[2-3]。缺陷地結(jié)構(gòu)能夠有效降低帶阻濾波器的通帶回波損耗,且電路尺寸較小,但阻帶帶寬仍較窄[4-5]。耦合線結(jié)構(gòu)作為帶阻濾波器的主要傳輸機(jī)構(gòu)能夠引入多個(gè)傳輸零點(diǎn),并且通過加載枝節(jié)可以拓寬阻帶帶寬,然而電路尺寸較大、阻帶帶內(nèi)抑制效果較差[6-11]。

本文基于耦合線提出了一種新型的微帶帶阻濾波器結(jié)構(gòu),在輸入輸出端各引入一對(duì)單端接地耦合線,在中間微帶傳輸線上加載三個(gè)開路枝節(jié)。該濾波器阻帶范圍可控,阻帶內(nèi)抑制良好,電路尺寸小。實(shí)物加工測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好,阻帶中心頻率為2 GHz,20 dB 阻帶帶寬為84.5%(1.24～2.93 GHz),可用于濾除藍(lán)牙、WIFI 以及部分通信頻段的電磁干擾。

1 濾波器的傳輸線模型

本文提出的微帶帶阻濾波器由單端接地耦合線加載開路枝節(jié)構(gòu)成。圖1 為帶阻濾波器的等效傳輸線模型,其中Y0o、Y0e和θ1分別表示耦合線的奇偶模導(dǎo)納和電長(zhǎng)度,Y2、Y4和θ2、θ4分別表示微帶線的導(dǎo)納和電長(zhǎng)度,Y3、θ3分別表示開路枝節(jié)的導(dǎo)納和電長(zhǎng)度。

圖1 帶阻濾波器等效傳輸線模型Fig.1 Equivalent transmission line model of the bandstop filter

1.1 單端接地耦合線

四端口平行耦合線的基本結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示,其輸入導(dǎo)納矩陣可表示為:

圖2 四端口耦合線Fig.2 Four-port coupling lines

式中:Ii(i=1,2,3,4)為耦合線的端口電流;Ui(i=1,2,3,4)為耦合線的端口電壓。

當(dāng)四端口耦合線2 端口和3 端口開路、4 端口短路時(shí),其電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。此時(shí)I2=I3=0,U4=0,將其代入公式(1)中,化簡(jiǎn)后可以得出單端接地耦合線輸入導(dǎo)納Yinc:

圖3 單端接地耦合線Fig.3 Coupling lines with single-ended ground

1.2 奇偶模分析

圖1 的微帶帶阻濾波器等效傳輸線模型是對(duì)稱結(jié)構(gòu),可以采用奇偶模分析方法分析其頻域特性。濾波器的奇模等效傳輸線模型和偶模等效傳輸線模型分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 奇模等效電路Fig.4 Odd-mode equivalent circuit

圖5 偶模等效電路Fig.5 Even-mode equivalent circuit

濾波器的奇模輸入導(dǎo)納Yino為:

濾波器的偶模輸入導(dǎo)納Yine為:

則濾波器的奇模和偶模散射參數(shù)為:

因此,帶阻濾波器的散射參數(shù)可表示為:

對(duì)于理想無耗帶阻濾波器,在阻帶內(nèi)S21=0,即:

在通帶內(nèi)S11=0,即:

1.3 濾波器特性

當(dāng)Zinc=0,θ1=90°時(shí),單端接地耦合線將濾波器的輸入和輸出端短路,通過公式(3)可得到兩個(gè)傳輸零點(diǎn):

式中:f0是帶阻濾波器的中心頻率。

當(dāng)S21衰減3 dB 時(shí),由公式(15)可得到兩個(gè)-3 dB頻點(diǎn):

則帶阻濾波器的阻帶3 dB 相對(duì)帶寬FBW 可表示為:

實(shí)際濾波器通帶到阻帶的過渡帶衰減斜率slope(dB/GHz)可表示為:

綜上可知,濾波器的阻帶相對(duì)帶寬主要由耦合線的奇模和偶模導(dǎo)納決定,微帶傳輸線、開路枝節(jié)會(huì)影響通帶到阻帶的過渡帶衰減斜率。與此同時(shí),開路枝節(jié)與微帶傳輸線的阻抗不匹配會(huì)影響濾波器的通帶特性。

2 濾波器的設(shè)計(jì)優(yōu)化

本文采用Rogers RO4003C 基片,相對(duì)介電常數(shù)為3.55,厚度為0.813 mm,根據(jù)圖1 傳輸線模型,設(shè)計(jì)一款緊湊型帶阻濾波器,濾波器的指標(biāo)為: 阻帶范圍1.2～2.8 GHz,20 dB 衰減的阻帶相對(duì)帶寬達(dá)到80%以上。

采用四分之一波長(zhǎng)設(shè)計(jì)濾波器,即θ1=θ2=θ3=θ4=90°,令中心頻率為f0=2 GHz,耦合線的導(dǎo)納Y0e=1/122 S,Y0o=1/58 S,開路枝節(jié)的導(dǎo)納Y3=1/28 S,微帶傳輸線的導(dǎo)納Y2=1/82 S,Y4=1/92 S,運(yùn)用上述公式初步計(jì)算濾波器的-20 dB 衰減的阻帶相對(duì)帶寬約為78%。

在保證阻帶相對(duì)帶寬的基礎(chǔ)上,采用HFSS 軟件建立如圖6 所示濾波器結(jié)構(gòu)模型,通過折彎微帶傳輸線和開路枝節(jié)令濾波器的結(jié)構(gòu)緊湊,實(shí)現(xiàn)小型化。使用ADS 軟件搭建的傳輸線模型(如圖1)與HFSS 軟件建立的結(jié)構(gòu)模型的仿真結(jié)果對(duì)比如圖7 所示。仿真結(jié)果表明,緊湊結(jié)構(gòu)的濾波器相比理想模型,阻帶相對(duì)帶寬變大,阻帶帶內(nèi)特性良好,但通帶特性變差。

圖6 帶阻濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of the bandstop filter

圖7 濾波器的傳輸線模型和結(jié)構(gòu)模型仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of transmission line model and physical structure model of the filter

圖8 為帶阻濾波器及其奇偶模的S參數(shù)比較,fL和fH分別表示帶阻濾波器3 dB 衰減的低頻點(diǎn)和高頻點(diǎn)。在圖8(a)中,奇模和偶模的低頻點(diǎn)fLo和fLe的均值等于帶阻濾波器的fL,而奇模和偶模的高頻點(diǎn)fHo和fHe的均值與帶阻濾波器的fH存在5%的頻偏。在圖8(b)中,奇模和偶模的低頻點(diǎn)fLo和fLe的均值等于帶阻濾波器的fL,而奇模和偶模的高頻點(diǎn)fHo和fHe的均值與帶阻濾波器的fH存在3%的頻偏。

圖8 帶阻濾波器及其奇偶模的S 參數(shù)比較。(a) S11;(b) S21Fig.8 S-parameter comparison of the bandstop filter and its odd-and even-modes.(a) S11;(b) S21

圖9 和圖10 給出了在fL和fH頻點(diǎn)處濾波器的表面場(chǎng)分布。由圖9 可知,fL時(shí)濾波器的表面場(chǎng)分布主要集中在單端接地耦合線。由圖10 可看出,fH時(shí)濾波器表面場(chǎng)分布主要集中在與中間的開路枝節(jié)連接的中間兩根微帶線。

圖9 fL頻點(diǎn)的表面場(chǎng)分布Fig.9 Surface field distribution at fL

圖10 fH頻點(diǎn)的表面場(chǎng)分布Fig.10 Surface field distribution at fH

采用HFSS 軟件仿真分析了耦合線以及中間微帶線的結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)濾波器的S21的影響(如圖11～18),從而進(jìn)一步優(yōu)化濾波器尺寸。

圖11 不同L2的S21比較Fig.11 Comparison of S21with different L2

圖12 不同g1的S21比較Fig.12 Comparison of S21 with different g1

圖13 不同W3的S21比較Fig.13 Comparison of S21with different W3

圖14 不同L18的S21比較Fig.14 Comparison of S21 with different L18

圖15 不同L19的S21比較Fig.15 Comparison of S21 with different L19

圖16 不同L20的S21比較Fig.16 Comparison of S21with different L20

圖17 不同L24的S21比較Fig.17 Comparison of S21with different L24

圖18 不同W5的S21比較Fig.18 Comparison of S21with different W5

(1)當(dāng)微帶線的L20、L24、W5以及耦合線的W3、g1增大時(shí),對(duì)阻帶中心頻點(diǎn)沒有影響,阻帶衰減變化幅度較小,但阻帶寬度減小,帶外高頻處插損增大。

(2)當(dāng)耦合線的L2增大時(shí),阻帶的fL基本不變,fH減小;而當(dāng)微帶線的L18、L19增大時(shí),阻帶的fL減小,fH基本不變,且當(dāng)L19增大時(shí),阻帶衰減減小,帶外高頻處插損增大。

3 濾波器的實(shí)測(cè)與分析

通過HFSS 軟件仿真優(yōu)化后的帶阻濾波器尺寸如表1 所示。帶阻濾波器加工后的實(shí)物圖如圖19 所示,整體尺寸為37.16 mm × 34.48 mm (0.24λg×0.23λg),其中λg是阻帶中心頻率2 GHz 對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

表1 濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of the filter mm

圖19 濾波器實(shí)物圖Fig.19 Photograph of the filter

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5320 對(duì)濾波器進(jìn)行S參數(shù)測(cè)試。實(shí)測(cè)得到帶阻濾波器的阻帶中心頻率為2 GHz,3 dB 衰減帶寬98% (1.19～3.15 GHz),20 dB 衰減帶寬84.5% (1.24～2.93 GHz),阻帶左側(cè)通帶到阻帶的過渡帶衰減斜率slopeL=422 dB/GHz (1.19 GHz 衰減為3.16 dB,1.31 GHz 衰減為53.80 dB);阻帶右側(cè)阻帶到通帶的過渡帶衰減斜率slopeH=86.91 dB/GHz(3.15 GHz 衰減為2.98 dB,2.6 GHz 衰減為50.78 dB),品質(zhì)因數(shù)為1.02,達(dá)到了寬帶帶阻濾波器設(shè)計(jì)要求。圖20 給出了帶阻濾波器的測(cè)試和仿真結(jié)果對(duì)比,一致性較好。由于加工和SMA 接頭焊接引入的誤差,測(cè)試與仿真的fL和fH存在1%的頻偏。

圖20 帶阻濾波器的仿真與測(cè)試結(jié)果比較Fig.20 Comparison of simulated and measured results of the bandstop filter

表2 為本文帶阻濾波器與其他文獻(xiàn)中帶阻濾波器的性能比較。由表2 可知,本文設(shè)計(jì)的帶阻濾波器具有阻帶抑制良好、相對(duì)帶寬大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

表2 本文與其他寬帶帶阻濾波器的性能比較Tab.2 Comparison with previous wideband bandstop filters

4 結(jié)論

在輸入輸出端引入單端接地耦合線,結(jié)合微帶傳輸線上加載開路枝節(jié),設(shè)計(jì)了一款帶阻濾波器。通過奇偶模理論分析、傳輸線模型和結(jié)構(gòu)模型仿真優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了中心頻率為2 GHz、20 dB 相對(duì)帶寬為84.5%的寬帶帶阻濾波器。濾波器的實(shí)物加工測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果頻偏為1%,一致性較好。該款濾波器阻帶特性良好,結(jié)構(gòu)緊湊,可與航電系統(tǒng)設(shè)備中板級(jí)電路集成,用于電磁干擾防護(hù)。