张磊 姚志会

摘要 依据微带带通滤波器设计原理，运用ADS2009软件构建滤波器的设计参数，并在此软件平台中进行建模及初步仿真，选择关键参量进行优化设计，得出了符合指标要求的发夹型带通滤波器设计模型，并根据该设计模型进行了产品加工及性能测试，性能测试分析表明此发夹型带通滤波器具有带内平坦度好、差损小、应用灵活等特点。

【关键词】发夹型 带通 滤波器设计 模型

滤波器是微波通信领域中许多设计问题的中心，可用它们来分开和组合不同的频率，如在变频器、倍频器以及多路通信中。随着电子通信行业的迅猛发展，带通滤波器在通讯、雷达、电子对抗、遥控遥测等众多领域得到了广泛应用，尤其是在卫星导航通信领域。

在卫星导航系统中，带通滤波器是射频收发系统的核心部件。随着电子信息技术的发展，电子系统的频率逐渐向更高的频率领域扩展，而一般的LC滤波器不能在C波段实现良好特性，微带滤波器能够完美契合这一点，同时微带滤波器还具有带内平坦度好、差损小、成本低及可靠性强等特点。

对于微带滤波器一般考虑以下指标：

（1）频率范围。即滤波器通过或截断信号的频率界限。

（2）通带衰减。由滤波器残存的反射以

及滤波器元件本身的损耗产生的。

（3）阻带衰减（或通带外衰减）。一般希望尽可能大，并希望在通带范围外，衰减值能够陡峭的上升，一般取通带外与截至频率为一定比值的某频率的衰减值作为此项指标。

（4）带内平坦度指标。即带内最大波动与最小波动之间的差值。一般作为衡量带通滤波器较关键的指标。

1 双端口网络

在射频许多领域中滤波器网络都是重要的基本组建元素，图1所示为双端口网络框图，微波网络都是在此模型上进行构建的。

因为在微波电路中，用入射波、反射波的概念更甚于电压、电流，用反射系数、驻波比的概念更甚于阻抗和导纳。因此如果采用某种矩阵形式，其网络的各个引出端上的量就要和入射波、反射波对应，而其网络参量则要和反射系数、传输系数等微波参数一一对应。

S参数定义为以下几种。公式列举如下所示，其主要表示出了微波网络中最常见的四种主要S参数。

S22、S11主要反映网络输入输出的反射特性，而相应的S21、S12则反映了微波网络的传输特性。而需要定義定量的参数来精确反映器件f系统）的反射特性。反射系数是反射电压入射信号电压比值，反射系数为矢量，包含幅度和相位信息，分别反映反射信号与入射信号的幅度比值和相位差。造成反射的根本原因为阻抗不匹配，这个结论通过反射系数的计算公式可以得到直接反映。驻波比是通过传输线上信号包络起伏大小来定义，当全匹配时，传输线上只有输入信号，包络恒定，驻波比VSWR=1。微带线在一定的条件下可以直接等效成集中式的电感电容，其转换方式如下所示，这样就实现了微带线与电感电容之间的互相转换，这也是微带滤波器的最基本的原理性设计。

2 耦合微带线

两个相同参量的微带线相互隔离S平行排列，即构成了耦合微带线，图2所示为耦合微带线结构及其相对应的耦合微带线的等效电路。

整个一对微带线，成了彼此之间具有分布互电容和互电感的分布参数系统，按照耦合微带线的分布电感电容规则，可以得到耦合微带线的等效电路。求出了耦合微带线的四口网络参量之后，很多单元电路的特性即可求得。实用上除了把耦合微带线定向耦合器作为四口元件外，一般都把它作为滤波器电路单元。

通过一系列公式推导我们可以让串联分支线输入阻抗己不等于零而开始起作用，是电路的衰减上升，因而电路具有带通特性。事实上，在其余几个频点附近，适当选取0值也可以实现带通特性。

直角弯折的电流线示意图如图3所示，在拐角地区如同有一个并联电容，路径的加长如同时两段短传输线或电感，等效电路如图所示。

实际上常常使拐角不引起反射。为此，可以把拐角削去一块，如图4所示，根据不断的实验与测试，给出了对应的最佳削角角度。

3 仿真设计

利用Ansoft Desinger V3选取适合的带通滤波器仿真模型对微带带通滤波器进行建模，按照图5所示进行仿真设计，可以通过改变微带线的各参数如线宽、耦合线间距进行优化设计。

设置发夹型微带带通滤波器中心频点3.8GHz，带宽为500MHz，拟采用5阶的切比雪夫公式型进行仿真拟合，通过调整微带线的长度及间距，可以改善带通滤波器的S21、Sll的指标，最终仿真曲线如图6所示。

4 性能测试及结果分析

按照Ansoft Designer V3软件仿真的数据，构建微带带通滤波器的参数模型，调整微带结构的尺寸、参数等以达到滤波器的指标要求，利用Altium Designer软件进行PCB印制板绘制。选用rogers4350板材，介电常数为3 48，印制板板厚1mm，采用印制板表面不阻焊，表面镀金工艺加工印制板。

通过电装焊接射频SMA-K型号的接头实现微带带通滤波器的整体设计实现，加工两段射频同轴测试线用来测试微带带通滤波器的指标，实际加工生产出来的发夹型微带带通滤波器设计如图7所示。

经测试得到发夹型微带带通滤波器的带内平坦度、插损及驻波等的测试曲线，曲线如图8所示。通过图片可以看出在中心频点3850MHz处带宽80MHz的带内平坦度为±0.5dB左右，中心差损约为0.3 dB左右，驻波为1.2。与Ansoft Designer V3的仿真结果基本上一致，完全能够满足导航通信系统指标的要求，整个印制板尺寸为25x40mm。

测试仪器为安捷伦信号分析仪N9340B和频谱仪，测试电缆为同轴半柔性电缆，基本上对微带带通滤波器指标的影响很小。

5 结束语

本文通过利用Ansoft Designer V3软件仿真设计出一种新型发夹型微带带通滤波器，进行实际加工并进行测试得出结论，该带通滤波器平坦度及杂散等指标较好，能够满足卫星导航系统的应用。由于采用微带结构，能够很好的实现C波段带通滤波，降低成本的要求起到了重要的作用。

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