应用于多波段目标模拟器的微带滤波器设计

杜 娟 赵永铁

(92941部队 辽宁 葫芦岛 125000)

0 引言

现有雷达目标模拟器多是针对某一特定波段雷达进行功能及参数设计，若想为不同波段的多部雷达同时提供模拟目标信号，则需要多个雷达目标模拟器[1]，价格昂贵。为实现同一模拟器同时为多型号多波段雷达提供模拟目标信号，需要在模拟器体积、成本等方面开展深入研究，而滤波器是其中的重要环节。

滤波器种类繁多，按照通频带分类[2-3]，滤波器可分为带阻滤波器、带通滤波器、高通滤波器、低通滤波器等；按照通带滤波器特性分类，有源滤波器可分为最大平坦型滤波器、等波纹型滤波器、线性相移型滤波器等；按照滤波器的传输线类型分类[4]，可分为介质滤波器、同轴滤波器、波导滤波器和微带滤波器等。

根据传输线类型选择滤波器时，可依据不同种类滤波器的特点及使用需求进行选择。介质滤波器硬件布局紧凑，损耗较低，具有比较稳定的温度特性，但受现有技术水平限制，适用频率范围仅限于50GHz，质量成本较高；同轴滤波器，由于自身腔体结构特点会在远端产生谐振峰，对器件本身性能产生不利影响；波导滤波器，品质因子高、损耗小、频率使用范围宽，但由于波导滤波器的体积和重量比其它类型滤波器大很多，因此应用范围较小；微带滤波器因其重量轻[5]、体积小、制造简便、频带宽等优点，在微波电路设计中使用广泛，是多波段雷达目标模拟器设计的首选器件，具体体现在以下三方面：

1)微带传输线使用的介质基片介电常数较高[6-7]，减小了微带线上的波长，使得微带线的尺寸无论在纵向，还是横截面上都大幅减小；

2)可通过在线路板上印制导电材料来实现；

3)微带滤波器可以灵活地与微波固体器件连接，可以非常方便地实现微带滤波器与微波固体器件的集成设计。

根据多波段雷达目标模拟器设计要求，文中选择常用的微带带通滤波器进行设计分析。

1 微带带通滤波器设计原理及方法

1.1 微带带通滤波器设计原理

微带带通滤波器是由多个平行耦合单元级连后构成的，单个平行耦合微带传输单元构成如图1所示。

图1 平行耦合微带传输单元

每个平行耦合微带传输单元都可以用一种电角度为θ的电路来表征[8]，如图2所示，它包含一个导纳倒置转换器和两组线段。

图2 平行耦合微带传输单元等效电路

平行耦合微带传输单元与其等效电路的参数关系为：

(1)

(2)

式中， Z0e为平行耦合微带传输线的偶模阻抗， Z0o为平行耦合微带传输线的奇模阻抗， J为导纳，Y0为平行耦合微带传输线的特性导纳。

根据图2所示等效电路，可推导出多个耦合微带传输单元构成的平行耦合微带带通滤波器的等效电路，如图3所示。

图3 平行耦合微带带通滤波器等效电路

1.2 微带带通滤波器设计方法

微带带通滤波器的设计参数较多，可按如下方法进行设计和计算[9-10]：

1)根据微带滤波器设计要求确定低通滤波器原型(常见的低通滤波器原型有利比雪夫滤波器和最大平坦滤波器)，滤波器阶数N可参考设计指标确定，之后便可根据滤波器阶数计算g1、g2、……、gN、gN+1、g为滤波器归一化参数；

2)带通滤波器的中心频率ω0通常由ωH和ωL确定：

(3)

3)滤波器相对带宽BW可由中心频率ω0、截止频率ωH和ωL来确定：

(4)

4)微带带通滤波器各个耦合单元的导纳可根据式(5)-(7)进行计算：

(5)

(6)

(7)

5)根据微带带通滤波器的设计要求，滤波电路的奇模特征阻抗和偶模特征阻抗分别为：

(8)

式中，Z0为微带电路输入和输出的特征阻抗，ZE|i,i+1为微带电路的偶模阻抗，Z0|i,i+1为微带电路的奇模阻抗；

6)对照微带线数据表，结合各段耦合单元的特征阻抗选择合适的微带线结构；根据带通滤波电路介质基片厚度d和相对介电常数εr，计算各段耦合微带线的宽度W、长度L和间距S；已知微带线结构、尺寸和间距，即可完成滤波器电路设计。

2 设计实例及仿真结果

2.1 频率检测电路设计

雷达目标模拟器设计中，功分器输出的信号频率在16～22GHz范围，由于不知道信号的具体频点，要在如此宽的频率范围内直接处理是十分困难的，为此设计了频率检测电路，将信号的频率确定在一个较窄的范围之内，然后再进行处理。频率检测电路的工作原理如图4所示。

图4 频率检测电路工作原理框图

图4中共4路信号检测电路，将16～22GHz划分为16～17.5GHz、17.5～19GHz、19～20.5GHz、20.5～22GHz四个不同的频率范围，当相应的频率范围有信号时，对应路的比较器就会有信号输出到FPGA。

2.2 微带带通滤波器设计指标

下面以微带带通滤波器1为例进行设计分析。

微带带通滤波器1设计指标为：中心频率ω0=16.75GHz；相对带宽W=9%；在f=14GHz时,衰减量大于20dB；带内波纹为0.5dB；微带线特性阻抗Z0=50Ω；介质基片的相对介电常数εr=9.8，厚度d=0.5mm。

根据上述指标要求，微带带通滤波器1选用5阶最大平坦滤波电路。查滤波器电抗元件值，5阶最大平坦滤波电路的归一化参数为：g1=g5=0.618，g2=g4=1.618，g3=2，g0=g6=1。

滤波器标准阻抗选择Z0=50Ω，滤波器微带线的特征阻抗按照前文“微带带通滤波器设计方法”中式(8)进行计算， 5个耦合线段的微带线宽度W、间距S和长度L通过ADS软件进行计算，得出微带线阻抗表。

表1 微带线阻抗表

2.3 仿真结果

将表1中各段微带线的参数代入Ansoft-HFSS电磁场仿真软件，得到微带带通滤波器1的仿真模型，如图5所示。

图5 微带带通滤波器1模型

图6 微带带通滤波器1设计仿真结果

由图6仿真结果可知：

1)微带带通滤波器1的滤波范围为16-17.5GHz，带通性能较好；

2)通带波纹较平坦，带内波纹小于0.5dB；

3)阻带平滑单调，衰减性能良好，14GHz处衰减大于20dB。

综上所述，微带带通滤波器1的设计方案能够满足频率检测电路的设计要求。微带带通滤波器

2-4可参照微带带通滤波器1的设计方案进行设计。

3 结束语

本文分析了介质滤波器、同轴滤波器、波导滤波器、微带滤波器等四种滤波器的优缺点，结合多波段雷达目标模拟器的特点，选择了微带带通滤波器进行设计。以微带带通滤波器的设计原理及方法为基础，设计了模拟器的频率检测电路，利用Ansoft-HFSS软件对其中的微带带通滤波器进行仿真计算，仿真结果表明该设计带通性能较好，带内波纹小，衰减性能良好，对于多波段雷达目标模拟器的工程设计具有现实指导意义。

参考文献:

[1] 赵智兵，毛光军，刘长明,等.一种L波段电调微带滤波器的设计[J].无线电工程，2012，42(7)：44-45．

[2] 赖鑫.微带多通带和宽带滤波器研究[D].西安：西安电子科技大学，2009．

[3] 徐鑫，戴明川，徐耀，张俊佳.低压电力线载波通信结合滤波器设计[J] .现代电子技术，2012，35(19)：191-194．

[4] 赵义祯，覃亚丽.平行耦合微带线结构带通滤波器的设计[J] .舰船电子工程，2007，27(4)：90-91．

[5] 张福洪，张振强，马佳佳.基于ADS的平行耦合微带线带通滤波器的设计及优化[J] .电子器件，2010，33(4)：433-437．

[6] 潘凯福.有耗介质微带线传输特性分析[D].成都：电子科技大学，2008．

[7] 杨月寒.马刺线在微带电路中的研究与应用[D].成都：电子科技大学，2009．

[8] 毛伟.毫米波三倍频器的研究[D].成都：电子科技大学，2010．

[9] 赵爽.基于802.11b的CCK解调技术研究与实现[D].长春：长春理工大学，2007．

[10] 沈磊.超宽带无线电引信测试技术[D].北京：北京理工大学，2015．