S频段平行耦合微带带阻滤波器的设计

姚明阳，马汉林

(柳州铁道职业技术学院，广西柳州，545616)

0 引言

在微波射频电路系统中，带阻滤波器是一种应用非常广泛的无源器件。它的主要作用是使有用信号尽可能小的衰减在其传输线路上，尽可能大的衰减干扰信号。在微波电路系统中，滤波器的性能直接影响着整个电路的性能指标。带阻滤波器性能指标的好坏，直接决定了整个射频链路性能的好坏。在一些S频段收发一体的系统中，由于收发频段间隔较小，要求带阻滤波器的带宽较窄，对其他信号影响较小。文献[1]中采用分支线的结构来设计带阻滤波器，这种结构在相对带宽较大时（如大于40%时），各支线具有合理的阻抗水平，比较容易实现，但是对于窄带，各支线的阻抗很高导致无法实现。文献[2]提出了基于电容耦合支线结构的带阻滤波器，但是该滤波器具有较差的通带驻波特性，文献[3]中提出采用支线中间加集总电容来改善驻波特性，但这样会影响带宽响应。耦合微带带阻滤波器[4、5]克服了并联分支线阻抗大无法实现、电容耦合支线间隙小实现困难的缺点，具有频带窄、抑制性好和设计方便等特点而被广泛地应用于各种射频通信系统中。

1 带阻滤波器设计基本原理

带阻滤波器可以由低通滤波器原型转换而来，两者之间存在一定的对应关系：

低通原型的并联电容变换到串联LC电路，元件值为：

1.1 平行耦合微带带阻滤波器的理论依据

平行耦合微带线是由间距很小的两根微带线组合而成，两个传输线之间电磁场的相互作用，当其中一根微带线上有信号源传输时，该传输线上的部分能量通过耦合作用传递给与它平行的另一根微带线上，同时另一根微带线上的电磁能量也会耦合到信号源的微带线上，常用常规的电压和电流很难分析，一般利用奇偶模特性阻抗分析法[6]对平行耦合传输线进行分析。得到耦合线的奇模特性阻抗Z0e模特性阻抗Z0o而求出耦合线的尺寸。平行耦合线的参数可以通过微带线线宽和两微带线间的间距来改变。平行耦合带阻滤波器的耦合线滤波器波节和等效电路如图1所示。

图1 平行耦合微带线图（a）耦合单元（b）等效电路

耦合传输线的镜像输入阻抗是：

其中θ代表电长度。

耦合微带带阻滤波器的耦合线可以等效为一端电角度为θ，特性阻抗为Zeq1的传输线，在旁边串联一段特性阻抗为Zeq2的开路线，等效阻抗是：

常规的带阻滤波器如图2所示。实现窄带带阻滤波器，采用并联谐振单元的结构会导致并联分支线的特性阻抗非常大，这样微带线就会很细，加工工艺不易实现，采用串联分支会导致阻抗很小，也很难实现。实际使用中采用两种方法来解决这个问题：

图2 常规带阻滤波器结构(a)并联谐振单元(b)串联谐振单元

（1）电容耦合分支线，结构如图3所示，以分支线和主线之间的间隙作为耦合电容，这种方法的缺点是尽管电容值很小，但相应的间隙尺寸仍很小，加工实现公差对性能影响较大，很难保证其性能；

图3 电容耦合分支线滤波器

（2）耦合微带带阻滤波器如图1所示。此单元在主线旁耦合了一段电角度为θ输线，该线一端开路，另一端短路。该耦合线可以等效为一端电角度为θ性阻抗为Zeq1的传输线，在旁边串联一段特性阻抗为Zeq2的开路线，当θ=90°单元具有带阻特性。当频带较窄时，理论上只需要改变耦合线的间距和宽度，从而改变耦合单元的奇、偶模特性阻抗。

2 滤波器的仿真与设计

本文要设计的带阻滤波器主要用于S频段收发系统中，其工作频率为S频段，带内对发射信号（带宽1980MHz～2010MHz）的抑制要有30dB以上，对接收信号（带宽：2170MHz～2200MHz）的抑制尽可能的小，由于收发信号的频率间隔只有160MHz，这是设计的难点。对于该类型的滤波器而言，级联的级数越多，其带外抑制效果越好，但是其带宽会变宽，尺寸也较大。综合考虑各方面的因素，本滤波器采用3级耦合微带线来实现，由于结构的对称性，则第1级和第3级的微带线尺寸相同，则需要优化的参数是微带线的尺寸的参数是微带线的长度、宽度以及微带线间的距离。

在该设计中考虑到加工的周期和加工的成本，选择的基本材料为TLY-5A，其相对介电常数为2.17，基板的厚度为0.508mm，铜的厚度为0.035mm，根据耦合线的特性阻抗，计算出微带线的尺寸，利用仿真软件进行建模，得到三级耦合微带带阻滤波器的模型如图4所示。

图4 三级微带窄带带阻滤波器的HFSS模型

在具体的建模时，为了获得良好的阻抗匹配性能，在微带耦合线滤波器的两端添加了阻抗变换部分，经过仿真软件优化，其仿真结果如图5和图6所示。

图5 阻带抑制和通带插损仿真结果

图6 端口驻波仿真结果

从图5可以看出，该滤波器的阻带衰减小于-40dB，通带插损小于1dB，满足设计要求。通过建模仿真可以发现，每一级微带线的宽度，间距和长度对仿真结果的影响是不同的。调节微带线的长度，这个主要影响滤波器的中心频率，因为根据平行耦合微带线滤波器的原理，其工作频率跟其四分之一波长是对应的。当调整微带线的宽度和间距时，可以对回波和阻带特性进行调整。因此，为了达到较好的仿真效果，在掌握了各种参量对仿真结果的影响之后，主要利用仿真优化工具来进行仿真优化。

3 滤波器的实测与分析

将优化后的仿真模型导出成DXF格式，然后在利用Cadence软件进行PCB绘制。从仿真中来看，微带线的宽度，间距和长度等变量对仿真结果影响较大，因此在PCB委外加工的时候，一定要向厂家提出较高的加工精度，这样才能保证加工出来的PCB的质量，在微带线的两侧增加接地孔和螺钉孔，便于印制板的固定和良好的接地，最终加工出的印制板如图7所示。为了对该频段的滤波器进行测试，对用于测试的腔体结构进行了加工，如图8所示。

图7 印制板实物

图8 滤波器测试腔体结构（a）腔体结构整体模型（b）开盖模型

采用矢量网络分析仪，对图7所示的带阻滤波器进行测试，其阻带特性和回波损耗如图9所示。

从图9的测试结果看，在所测试的频带范围内，该滤波器的阻带损耗在-30dB以下，对接收信号的衰减为3dB，达到了当初设计的预期目标。对滤波器的实际测试的结果来看，阻带特性和通带插损比仿真效果差很多，这主要由两方面原因造成的，一是两个SMA接头焊接处造成的损耗；另一是滤波器印制板的加工精度达不到要求造成的。

图9 滤波器通频带特性测试结果

4 结束语

本文以S频段耦合微带带阻滤波器的基本理论为依据，利用电磁仿真软件HFSS对滤波器结构建模、电磁仿真、分析优化后，设计了一款应用于S频段的平行耦合带阻滤波器，其频带比较窄，过渡带相对较陡峭，大大提高了设计的精度和效率。对该滤波器进行实际测试，该滤波器的在收发间隔160MHz的过渡带内实现30dB的隔离，接收通带的插损约为3dB，达到了实用的要求，可用于相关频段的射频收发链路中，实现收发隔离。