王文才,陈昌明,杨　刚

(成都信息工程学院通信工程学院,成都 610225)



一种毫米波微带带通滤波器的设计*

王文才,陈昌明*,杨刚

(成都信息工程学院通信工程学院,成都 610225)

摘要:基于小反射理论,引入Klopfenstein阻抗渐变线对传统发夹型谐振器结构进行改进,设计了一种相对带宽为8%的结构紧凑型毫米波带通滤波器。采用S参数的多项式综合方法得到耦合矩阵电路模型,利用三维电磁场全波仿真软件HFSS拟合出耦合系数与谐振器间距、外部品质因数与抽头位置的关系曲线,进而提取出耦合矩阵对应滤波器的物理尺寸。实测结果表明:在28.8 GHz～31.2 GHz频带内,该滤波器的插损小于3.0 dB,回波优于-17 dB,带外抑制大于40 dB@33 GHz,测试结果与计算结果吻合较好。

关键词:滤波器;发夹谐振器;耦合矩阵;外部品质因数

发夹式微带带通滤波器由于其微带线终端开路无需过孔接地,且具有结构紧凑,易于集成等优点,广泛应用于各种微波通讯电路中。通常的发夹式滤波器结构[1-2]当应用在微波高频端,特别是毫米波波段时,受谐振器U型弯头寄生电抗和边缘耦合加载作用的影响往往需要对耦合器的长度进行反复实验、调整和修正[2],且为了减小由抽头线阻抗变换不连续造成的信号反射和损耗,对加工工艺要求高。本文采用一种改进型的发夹谐振器结构,很好地补偿了微带不连续造成的信号损耗和耦合加载对电路精确设计的影响,且该改进型结构简单,易于实现,设计出的毫米波滤波器性能良好。

1　滤波器设计的基本原理

1.1改进型发夹式滤波器的设计理论

传统抽头线谐振器结构的示意图如1(a)所示。为了实现端口阻抗与谐振器内阻之间最短和最优的阻抗匹配,从而减小反射和损耗,根据小反射理论,引入Klopfenstein阻抗渐变线对传统抽头线谐振器结构进行改进[3],如图1(b)所示。

Klopfenstein渐变特征阻抗变化的自然对数为[3-4]:

0≤z≤L

(1)

图1　改进前后抽头发夹谐振器结构

图2给出一组满足Klopfenstein渐变线通带要求的HFSS仿真结果。由图可知:抽头与50Ω微带线间引入Klopfenstein阻抗渐变线对减小谐振器内外阻抗不连续造成的信号反射和损耗有显著作用。

图2　改进前后抽头线S11仿真结果

1.2滤波器几何参数提取

决定滤波器性能的耦合电路模型参数主要有:谐振频率,耦合系数以及外部Q值;与之相对应的滤波器结构尺寸主要包括:发夹臂长L1和线宽W、发夹间距S和I/O端口抽头位置q。运用耦合矩阵滤波器电路模型和电磁仿真器可以提取滤波器物理尺寸。

采用切比雪夫滤波器低通原型,由滤波器设计要求可得滤波器阶数N及低通原型的归一化数值:g0,g1,g2,…,gN+1。利用有效递归技术可以推导出这类滤波器的传输和反射多项式[5],综合出谐振器串联拓扑结构的N×N耦合矩阵CM(CouplingMatrix)[5-6]为:

(2)

其中 Mj,j+1表示相邻谐振器间归一化的耦合元件值,且Mij=Mji;R1和Rn为归一化输入输出耦合的电抗参数。

(3)

谐振器间的耦合系数Kij和输入输出耦合Qe可由耦合矩阵元件值Mij以及电抗参数R1和Rn推导出:

(4)

(5)

BW为带通滤波器的设计带宽。

建立图1(b)示改进型谐振器模型,利用Eigenmode求解器设计发夹臂长L1、线宽W以及平行双臂间的间距a使其谐振在带通滤波器的中心频率处。L1约为:

(6)

式中:λ0是滤波器中心频率的自由空间传播波长;λg是滤波器实际波长;有效介电常数εre可表示为:

(7)

其中,εre是基片的相对介电常数,h是基片厚度,w是微带线宽。

利用参数提取技术,建立2个反向平行排列、间距为S的上述谐振器模型。在HFSS中用Eigenmode求解器的双模分析法提取2个模频率:fp1和fp2,使它们关于滤波器的中心频率f0对称,则两谐振器间耦合系数K可由式(8)计算得出[7],且随发夹谐振器间间距S的改变而变化。

(8)

文献[2]中提到通过I/O端口谐振器S11的相位偏移±90°对应带宽计算外部品质因数的方法,由于存在EM仿真与等效电路的参考面不能很好地匹配而引起额外的相位偏移,造成提取的Qe不够准确。发夹滤波器外部品质因数可以通过计算输入输出谐振器的反射系数S11在ω0处的群时延分析得到[8-9]。

(9)

其中,τmax是输入端反射系数S11对应的最大群时延值。

2　设计实例

根据实际工程需要设计并制造一个相对带宽为8%的毫米波微带带通滤波器,其主要指标为:中心频率为30GHz,通带带宽为2.4GHz,带内插损小于3dB,带外抑制大于40dB@33GHz,输入输出端口均为50Ω的微带线。选用Rogers公司的Duriod5880介质基片制作电路,其相对介电常数εr=2.22,基片厚度d=0.254mm。

根据滤波器设计指标,选用5阶通带纹波为0.01dB的Chebyshev滤波器低通原型,其归一化数值为:g1=g5=0.756 3;g2=g4=1.304 9;g3=1.577 3;g0=g6=1.0;综合出耦合矩阵为:

(10)

且R1=1.322 2;Rn=1.322 2;由式(4)、式(5)计算出相邻谐振器间的耦合系数和外部品质因数:Qe1=Qen=11.34;K1,2=K4,5=0.067;K2,3=K3,4=0.046。

至此,已求得设计该滤波器所需的全部耦合矩阵电路模型值,然后利用参数提取技术将其转换成滤波器的结构尺寸。首先设计如图1(b)所示改进型发夹谐振器单元,使其谐振在带通滤波器的中心频率f0(30GHz)处。得到发夹臂长L1=1.6mm,线宽W=0.4mm,双臂间距a=0.3mm,削角长度b的常用值选1.8W。

然后建立2个反向平行排列的上述谐振器模型,调整相邻谐振器间距得到耦合系数随之变化的曲线,如图3所示,从图中直接读出耦合系数的计算值0.067,0.046对应的耦合间距S为:S1,2=0.3mm,S2,3=0.4mm。可见,耦合系数在一定范围内随着谐振器间距的增大而减小,这与实际情况相符。

图3　耦合系数与耦合间距的关系曲线

由式(9)间接得到外部品质因数与不同抽头位置的关系曲线如图4所示,由图4可知:外部品质因数的计算值Qe1=Qen=11.34对应抽头的位置q=-0.3 mm。

图4　外部品质因数与抽头位置的关系曲线

通过以上分析,确定滤波器模型各结构尺寸的初值,以此为基础在美国Ansoft公司的HFSS13.0中对滤波器的整体模型进行三维电磁场分析,精心设计优化后得到滤波器的最终实物图如图5所示,其电路尺寸为14.6 mm×5.8 mm。

图5　滤波器实物图

利用安捷伦公司的N5244A矢量网络分析仪测试,最后得到仿真结果及实测结果如图6所示。

图6　滤波器结果对比图

由图6知整个发夹滤波器的插损略为2.7 dB且矩形系数较好。在27 GHz～33 GHz频段内滤波器的实测结果与仿真结果吻合较好,但存在一定的频偏,其主要原因有:加工误差,由于电路工作在毫米波波段,微带电路对加工精度要求比较高;其次非相邻谐振器间互耦合的影响;最后是测试误差。

3　结论

本文提出了一种对抽头线发夹滤波器结构进行改进和优化的方法,基于此设计了一种结构紧凑的毫米波微带发夹式滤波器。实测结果表明,该改进型滤波器具有结构简单紧凑、插损小、矩形系数好、易于加工制作等优点,且是平面结构,无需引入转换器,在微波通信中具有较好的应用前景。对设计同种类型乃至其他结构的滤波器有一定借鉴意义。

参考文献:

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[2]聂广琳,王鲁豫.微带发夹式带通滤波器的计算机辅助设计[J].压电与声光,2005,27(2):206-208.

[3]David M Pozar.Microwave Engineering[M].Wiley.com,2009:209-224.

[4]Resley,Liza,Heather Song.Ka-Band Klopfenstein Tapered Impedance Transformer for Radar Applications[J].Progress in Electromagnetics Research,2012(27):253-263.

[5]王陆山,冯泉源.交叉耦合介质谐振腔滤波器[J].电子器件,2013,36(5):627-630.

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[7]Hong Jiasheng.Couplings of Asynchronously Tuned Coupled Microwave Resonators[J].IEEE Proc Microw Antennas Propag,2000,147(5):354-358.

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[9]Hong Jiasheng,Lancaster M J.Microstrip Filters for RF/Microwave Applications[M].NEW YORK:John Wiley and Sons,Inc,2013:276-288.

[10]李明洋,刘敏.HFSS电磁仿真设计从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2013:124-137.

王文才(1987-),男,汉族,甘肃天水人,成都信息工程学院通信工程学院,硕士研究生,主要研究方向为微波射频电路与系统,haocaiww@163.com;

陈昌明(1971-),男,汉族,四川安县人,成都信息工程学院通信工程学院,副教授,硕士生导师,主要研究方向为射频、微波毫米波电路与系统;

杨刚(1988-),男,汉族,四川南充人,成都信息工程学院通信工程学院,硕士研究生,主要研究方向为微波电路设计。

DesignofMillimeter-WaveMicrostripBandpassFilter*

WANGWencai,CHENChangming*,YANGGang

(School of Communication Engineering,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China)

Abstract:A millimeter-wave microstrip bandpass filter of a 8% fraction bandwidth is presented here.It is developed from the traditional hairpin resonator structure with introducing the Klopfenstein impedance taper which is based on the theory of small reflection.First,coupling matrix model is derived with synthesis methods of Chebyshev transfer and reflection polynomials.Then the curve of coupling coefficient versus coupling spacing and the curve of external quality factor versus tap location are calculated and plotted with HFSS.Finally,the physical dimensions of the corresponding filter can be extracted from the results above.The test result shows that the insertion loss is less than 3 dB and the return loss is better than -17dB in the frequencies of 28.8 GHz to 31.2 GHz,besides the out-of-band rejection level is larger than 40 dB at the frequency of 33 GHz.The result matches with the simulations very well.

Key words:filter;hairpin resonator;coupling matrix;external quality factor

doi:EEACC:127010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.012

中图分类号:TN713

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)05-0855-04

收稿日期:2013-10-29修改日期:2013-11-15

项目来源:四川省教育厅重点项目(13ZA0087)