周 平

（武汉南华工业设备工程股份有限公司，武汉 430023）

随着无线通信的迅猛发展，频率资源的日益紧张，作为分离有用和无用信号的微波滤波器成为通信系统中的重要部件，其性能的优劣直接影响整个通信系统的质量[1]。现在，微波滤波器已被广泛应用于微波、毫米波通信、微波导航、制导、遥测遥控、卫星通信以及军事电子对抗等多种领域，并对微波滤波器的要求也越来越高。高阻带抑制、低通带插损、宽频带、高功率、寄生通带远和带内平坦群时延等成为用户的主要技术指标要求。同时，体积、成本、设计速度也是用户极为关心的问题。因为大部分通信系统收发链路共用一根天线，对双工器乃至多工器的研究需求也越来越迫切。这就促使微波设计师们不断研究和发展微波滤波器的设计技术[2]。

1 滤波器概述

滤波器的好坏对通信系统的性能会产生巨大的影响，近年来由于微带电路的频带较宽、体积偏小等优点而被广泛地运用于射频通信系统中，微带滤波器也是其中运用最广泛的微带电路之一[3]。滤波器按种类一般分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器；根据频率响应可以分为巴特沃兹滤波器、契比雪夫滤波器和椭圆函数滤波器，巴特沃兹滤波器在通带具有最大平坦特性，而契比雪夫滤波器在通带内具有等波纹特性，他们的传输零点被定义在无穷远，而椭圆函数滤波器虽然具有有限频率远处的传输零点，但是随着滤波器阶数的确定，其传输零点位置也是确定的[4]。船载固态导航雷达系统需要对9.4 GHz中心频率的线性调频信号进行滤波处理，平行耦合微带线带通滤波器在微波集成电路中是比较典型而且优异的带通滤波器，因此本文涉及的就是用平行耦合微带线带通滤波器对中心频率为9.4 GHz的射频信号进行滤波设计及仿真。

2 微带滤波器工作原理

平行耦合微带线构成的带通滤波器是一种常用的由四分之一波长耦合微带线段组成的分布参数带通滤波器，耦合传输线的原理是当2个微带传输线由于紧贴在一起而产生相互作用的电磁场时，传输线会由于电磁场的效果从而产生功率耦合[5]。

2.1 奇模和偶模的激励

如图1建立平行耦合微带线相互作用的简单模型，L为微带线之间相互耦合的长度，W为微带线的线宽，S为微带线与微带线之间的间距，H为介质厚度，Er为介电系数，Z0为微带线的特性阻抗，Z0e为微带线偶模特性阻抗，Z0o为微带线奇模特性阻抗[6]。

图1 耦合微带线结构Fig.1 Structure of couple microstrip line

平行耦合微带线能支持奇偶模的传输。在偶模激励情况下，2条微带线具有相同的电势。在奇模激励情况下，平行线具有相反的电势。2种激励模式可以在同时发生，如图2所示。

图2 耦合微带线奇偶模磁、电场分布Fig.2 Distribute of magnetic and electric field of couple microstrip line odd and even model

2.2 级联带通滤波器

每条微带线都具有一定的滤波特性，但是由于单条微带线的滤波效果不能使频率从陡峭的通带过渡到平缓的阻带，因此一般都会将多个微带线进行级联，进行级联的微带线电路的滤波效果则要优秀得多，本文采用的就是级联方式的平行耦合微带线带通滤波器[7]，其结构如图3所示。

图3 平行耦合微带线带通滤波器示意Fig.3 Diagram of parallel couple microstrip line filter

平行耦合微带线带通滤波器是现在一种应用最为广泛的滤波器，它是由几节不需要对地连接的微带线构成的谐振器组成，因此它的结构更加简单也更加容易实现[8]，平行耦合微带线带通滤波器的电路版图可以通过ADS软件、HFSS软件等仿真完以后直接生成，滤波器的电路一般都会印刷在毫米级的介质基片上[9]。平行耦合微带线带通滤波器的横向尺寸和纵向尺寸都具有比较优异的性能，其横向尺寸与波导和同轴线的横向尺寸相比结构要简单的多，体积也更小；滤波器的纵向尺寸和工作波长差距不大，但是由于使用的毫米级且介电常数较高的介质基片使得带通滤波器线上的波长要比它的自由空间小了好几倍甚至数十倍不等。整个平行耦合线带通滤波器的这些结构特性使整个电路的结构更加严谨、契合度更高，而且滤波器的电路使用的都是相同的地，电路版图也是由数条微带线组成，因此平行耦合线带通滤波器的体积、重量相比其它类型的滤波器更加具有优势[10]。

平行耦合微带线带通滤波器的设计需要先综合滤波器低通原型，再将原型低通滤波器转换到要设计的带通滤波器，平行耦合微带线带通滤波器的中心频率用ωc表示，下边频和上边频分别用ωd和ωu表示，带通滤波器的相对带宽为B，带通滤波器的频率变量为ω，低通原型滤波器的频率变量为ω′，低通原型滤波器的截止频率为ω1′，将带通滤波器转换为低通原型：

然后通过查表得到带通滤波器的归一化原型参量，再根据归一化原型参量计算导纳倒置器参量J，其中Y0为传输线特性导纳：

耦合线的奇偶模特性阻抗Z0o和Z0e可以通过公式计算得到：

3 滤波器设计与仿真

滤波器的设计指标如下：中心频率f0为9.4 GHz；相对带宽为8%；插入损耗小于2 dB；在中心频率9.4 GHz处回波损耗大于30 dB，在频率8.6 GHz和10.2 GHz衰减大于20 dB；输入输出阻抗为50 Ω。

平行耦合微带线带通滤波器的设计可分为以下几个步骤：

步骤1使用低通频率到带通频率的转换公式，并在设计的滤波器衰减特性及所需指标基础上计算出平行耦合微带线带通滤波器的阶数，从而得到归一化后的低通滤波器原型中的各个元件数值（这一部分的计算可以查表得之）；

步骤2用等效的网络方法通过归一化求出的元件数值来计算出各级微带线的奇、偶模阻抗大小；

步骤3在知道各级奇、偶模阻抗数值的情况下使用ADS软件自带的工具得到最终设计的微带线结构尺寸。

根据设计的指标，选用2阶切比雪夫滤波器原型参数，可以获得g0、g1与g2的大小，平行耦合微带线带通滤波器需要3节耦合微带线级联，通过式（5）和式（6）可以得到每节耦合微带线的奇、偶模的特性阻抗，如表1所示，系统阻抗为50 Ω。

表1 耦合微带线奇偶模的特性阻抗Tab.1 Characteristic impedance of couple microstrip line

知道平行耦合微带线带通滤波器的每节耦合线的奇偶模特性阻抗后，可以据此通过ADS软件中的LineCalc线宽计算工具来算出耦合微带线的宽度W、间隔S和长度L，计算结果如表2所示。

表2 微带线的参数Tab.2 Parameter of microstrip line

本系统采用了平行耦合微带线带通滤波器对中心频率为9.4 GHz的调频信号进行了ADS仿真与优化，仿真所使用的微带线介质基片厚度为H=10 mil，基片的相对介电常数为Er=3.66，相对磁导率为1，微带线金属片的电导率为5.88×107，金属片厚度为0.035 mm，微带线的损耗角正切为0.002。由表2得到了各级平行耦合微带线的尺寸，使用ADS软件对带通滤波器进行仿真，平行耦合微带线带通滤波器的整体电路仿真如图4所示（图中3个MCFIL表示滤波器的3个耦合线节，2个MLIN表示滤波器两端的引出线，控件MSub设置微带线参数，控件VAR设置变量，控件GOAL优化目标）。

对平行耦合微带线带通滤波器的整体电路进行仿真，得到的滤波器的特性曲线如图5所示。从滤波器的特性曲线图可以看到9.4 GHz中心频率的调频信号的回波损耗 S（1，1）是 35.08 dB，插入损耗是1.427 dB，在 8.6 GHz频率的衰减 S（2，1）是28.056 dB，在 10.2 GHz频率的衰减 S（2，1）是 26.167 dB。所有的仿真数据均满足设计需求。图中：m1表示S（1，1）参数的最低点，这个值越低表示驻波越小，匹配越好；m2表示 S（2，1）参数最高点，说明带内损耗小；m3、m4 分别表示 S（2，1）参数带宽的高点和低点，表示带外衰减满足设计要求的带宽范围。

图4 滤波器的电路仿真Fig.4 Simulation of microwave filter circuit

图5 滤波器优化后的特性曲线Fig.5 Optimize characteristics curve of microstrip line filter

设计要求滤波器9.4 GHz带宽200 MHz，也就是说 9.3～9.5 GHz信号通过插损小也就是 S（2，1）要小，而带外的信号要抑制，插损要大S（2，1）就要大，在 S（2，1）的图上就看到一个峰。 而 S（1，1）的图是反映驻波的，这个需要带内驻波越小越好。

根据仿真数据，我们通过ADS软件能够自动生成平行耦合微带线带通滤波器的电路板图，如图6所示。

图6 平行耦合线微带带通滤波器电路板图Fig.6 PCB of parallel couple microstrip line filter circuit

4 系统测试

根据ADS仿真及优化后，本文设计的微带线带通滤波器的实物如图7所示。

图7 带通滤波器实物Fig.7 Photo of parallel couple microstrip line filter

采用安捷伦E8267B信号发生器和安捷伦N9030A频谱仪对带通滤波器进行插入损耗测试得到的数据如表3所示，根据测试的数据产生的插入损耗S（2，1）分布如图8所示，可以看出船载固态导航雷达9.4 GHz带通滤波器在9.4 GHz中心频率处的插入损耗是1.8 dB，在8.6 GHz和10.2 GHz的衰减也是大于20 dB，满足设计需求。

表3 带通滤波器系统测试数据Tab.3 Testing data of band pass filter system

图8 带通滤波器损耗曲线Fig.8 Loss curve of band pass filter

5 结语

本文以平行耦合微带线带通滤波器的原理为基础，结合ADS仿真软件对船载固态导航雷达9.4 GHz中心频率信号进行滤波处理。通过ADS软件仿真与优化后，得到满足设计要求的滤波器电路，并生成电路版图，减少了设计者的工作量，具有一定的参考价值。

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