一种基于信号干扰技术的谐波滤波器设计

曹力元,李宏军,张韶华,王胜福

(中国电子科技集团公司第十三研究所,河北 石家庄 050051)

滤波器是现代无线通信系统的重要组成部分之一,其主要作用是使有用信号通过系统并滤除无用信号,从而达到频率选择的目的[1]。随着计算机的普及,近年来各类微波电路的辅助设计软件发展迅速,滤波器的设计方式也由各式各样的软件仿真代替了原来复杂繁琐的经验公式计算和查表[2]。在众多的滤波器实现形式中,具有微带线结构的滤波器凭借其体积小、重量轻、易于平面集成等特点被广泛应用于多种微波电路中。

现代通信系统对滤波器的参数不仅要求通带内具有低插损、低驻波比等良好性能,还对带外抑制有一定的要求,如较宽的阻带以及更高的抑制度等。尤其在微波电路中,一些非线性元器件如混频器、放大器的输出端会生成二次、三次谐波等干扰信号,这就要求位于这些元器件后的滤波器具有良好的谐波抑制能力[3-4]。因此对有用信号频率二倍、三倍频的抑制也成为了滤波器重要的指标需求之一。一般微带结构的分布式滤波器由多个谐振单元构成,由于谐振单元具有频率上的周期重复性,故在倍频处会产生寄生通带使得带外抑制度下降[5]。鉴于此,本文采用横向信号干扰技术,设计了一款具有宽阻带特性的谐波滤波器,在保证通带拥有较低插入损耗的同时,对二次、三次谐波进行了一定程度的抑制。

早在1985 年,美国学者Rauscher[6]便基于信号干扰的原理提出了横向型滤波器和递归型滤波器的概念。由于递归型滤波器的计算以及实现十分困难,故大部分基于相位干涉理论制作的滤波器均为横向型滤波器[7]。Gomez 等[8]于2005 年提出了一种较为典型的双支路信号干扰滤波器,采用两段传输线并联的方式构建了两条信号通路,由该结构组成的滤波器具有宽频带特性,并且由于阻带内存在多个传输零点,使得阻带抑制效果较为理想,但受限于两路传输线结构,导致滤波器的整体尺寸较大;2009 年和2010 年,Sanchez 等[9-10]采用了将传输线分别与终端短路、开路耦合线相结合的方式设计了超宽带带通、带阻滤波器。该结构不仅使滤波器整体体积有所减小,并且由于耦合线的引入使得滤波器的可调参数有所增加。

为满足某滤波器设计项目中对通带频率二次谐波、三次谐波的抑制要求,提升滤波器的矩形度,本文利用横向信号干扰原理,通过滤波单元级联等方式设计了一款新型滤波器。

1 信号干扰滤波器设计原理

根据近年来的研究可以发现,相位干涉或信号干扰技术在滤波器领域的应用越来越广,利用该技术所实现的滤波器由于具有较宽的通带和较低的带内插入损耗,故常用以实现具有宽带滤波特性的带通或带阻滤波器。其基本原理可大致概括为:通过构建多个信号通路,使信号进行多径传输。对于具有分布参数特性的电路来说,由于不同路径拥有不同的特征阻抗及电长度,从而使得不同路径的信号之间存在一定的幅度及相位差。如图1 所示,通过调节特征阻抗Z1、Z2以及电长度θ1、θ2可以实现在相应的频率位置处达到信号相互叠加或抵消的效果,从而产生传输零极点以实现滤波特性。

图1 双路传输线式信号干扰单元Fig.1 Dual-transmission linear signal interference unit

通常来说,利用两个传输路径便可以实现满足大多数要求的滤波效果,如果采用更多路径传输,不仅理论分析计算困难,而且会使电路尺寸大大增加。因此,本文采用了两个传输路径的结构方式进行滤波单元的搭建。相位干涉型滤波器与传统谐振器构成的滤波器相比较,产生传输零极点的原理发生了变化。由于不存在谐振单元,故使得电路的设计更加简洁,结构更加简单,并打破了传统Q值定义方式的限制,使得通带内的信号衰减更小,从而获得了较为理想的传输特性。

2 双路信号干扰滤波器的设计

对于由两条传输路径构成的横向信号干扰滤波器来说,通常采用的电路实现形式有两种。一种是由两段微带传输线构成,通过改变两路的特征阻抗与电长度的比值来调整传输零极点以及其他滤波器的滤波特性,其电路形式如图1 所示;另一种是由传输线和耦合线共同构成,滤波原理不变,但相较于均匀阻抗传输线来说,平行耦合线拥有更多的可调参数,可在一定程度上增加设计的灵活性,并且使得滤波器的整体体积有所减小,其拓扑结构如图2 所示。

图2 传输线和耦合线结合式信号干扰单元Fig.2 Transmission line and coupling line binding signal interference unit

本文拟采用传输线与耦合线两种结合的形式设计具有带阻性质的滤波单元。首先对一耦合线与平行该二端口网络的S参数进行分析。对于耦合线部分有:

式中:k为耦合线的耦合系数;yc为耦合线的特征导纳;和分别为耦合线的奇模导纳和偶模导纳。整体结构网络的归一化Y参数为:

式中:θl和θc分别为均匀阻抗传输线和耦合线的电长度。进而可得出网络S参数表达式为:

从上述关系式中可以看出,通过调整两条传输路径的电长度、特征阻抗、耦合系数等参数,可以达到调整网络S参数的效果。例如改变耦合系数k(调节耦合线间距),调节耦合线与传输线特征阻抗的比值,可控制阻带宽度以及零点位置,但与此同时,参数的改变也会同时影响网络S参数曲线的特性,所以调节时应进行各方面的综合考虑。比如,在阻带内存在四个传输零点时,调整耦合线与传输线特征阻抗的比值大小可以控制内侧的两个对称零点之间的距离,但在调节时S21曲线也会同时发生变化。因此,在调整至各项参数满足一定条件的情况下,可以使得带内实现较好的传输特性。以耦合线与传输线的特征阻抗之比t为例,在t取不同值时特征曲线也有所不同,见图3 所示。

图3 不同阻抗比时的S 参数曲线Fig.3 S-parameter curves at different impedance ratios

根据原理图2,在二维电路仿真软件中建立耦合线与均匀阻抗传输线并联电路模型,通过调整模型参数来调整S曲线的特性。以中心频率为2 GHz,带宽2 GHz 的带阻滤波器为例,根据原理公式及板材等计算出微带线的尺寸参数,在仿真软件中搭建电路并进行全波仿真,如图4 所示,可明显看出其S参数具有周期分布的特性。

图4 S 参数的期性特征图Fig.4 Period characterization of S parameters

在三维仿真软件中建立模型并进行仿真的过程中可以发现,由于存在空间耦合以及其他损耗的影响,S参数特性会在较高频率处有所恶化,但在低频段以及阻带内仍具有较为良好的性能。再结合信号干涉滤波器本身带宽较宽的特点,可以利用其第一个周期的通带和阻带实现具有低通特性的谐波滤波器。

3 级联式谐波滤波器的设计

现根据指标要求设计一个谐波滤波器,对通带为1.2～1.3 GHz 信号的二倍频、三倍频进行抑制,要求抑制度不小于20 dB,且带内损耗不大于0.5 dB。拟采用相对介电常数为11 的高工艺精度陶瓷材料作为基板,根据原理图及频率要求构建电路,并建立其三维仿真模型。所得三维仿真结果如图5 所示。

图5 单滤波单元三维仿真曲线Fig.5 The 3D simulation curves of a single filter unit

从得到的二端口仿真S曲线可以看出,1.2～1.3 GHz 通带内的插入损耗较小,典型值小于0.1 dB,三倍频范围内的抑制度大于35 dB。但二倍频处仍处在过渡段中,即特征曲线的矩形度不够。为提高滤波器的矩形度,并提高阻带的抑制程度,采取将两个滤波结构形式相同、尺寸相近的滤波单元进行级联的方式构建滤波器,即以一个双路信号干扰滤波器为一个单元,将两个滤波单元进行级联,其拓扑结构如图6 所示。

图6 级联式滤波器拓扑原理图Fig.6 Schematic diagram of the cascade filter topology

首先在二维电路仿真软件中搭建级联后的电路,通过调整两个单元的电长度、特征阻抗、耦合强度等来调整滤波器的电性能。如图7 所示,在进行电路的调谐仿真过程中发现:滤波器的级联使得通带的矩形度有所提高,但在将参数代入三维模型中并进行仿真时会发现,由于滤波器的传输带线本身的分布参数特性以及两单元级联引入的不连续性,在阻带内频率为4 GHz 左右处会产生一处谐振,使得阻带较高端处的抑制度下降。因此,为缓解谐振带来的抑制度恶化,拟在主传输带线旁添加一个耦合环,从而在阻带内生成一处陷波点以提高抑制度。

图7 级联式滤波器电路仿真曲线Fig.7 Simulation curves of the cascade filter circuit

滤波器整体三维仿真模型的微带线结构排布如图8 所示,将电路级仿真调谐后的尺寸参数作为初值代入三维模型中,并进行进一步的优化。为尽量消除两个滤波单元之间相互耦合产生的寄生干扰,且避免基板打通孔增加工艺难度提高制作成本,故采用了左右铺开分布的方式进行布局,但因此也使得滤波器的长度有了一定程度的增加。

图8 级联式信号干扰滤波器三维仿真模型Fig.8 3D simulation model of the cascade signal interference filter

耦合环置于干路旁,通过调整环的尺寸以及它和干路微带线的距离来调整陷波点的位置和深度,以达到更为理想的阻带抑制效果。

以高精度陶瓷为基板的薄膜工艺精度较高,误差基本可以控制在2～3 μm。通过对比图9 中的仿真与实测曲线可知二者差别不大,并且多个成品之间也具有良好的一致性。图10 为滤波器实物图。为了模拟产品的实际使用状态,在滤波器上方安装了一个金属帽(如图10左下方所示),其实际测试结果与裸片并无明显差别。

图9 滤波器三维仿真与实测曲线Fig.9 3D simulation and measured curves of the filter

图10 滤波器实物图Fig.10 Filter physical diagram

4 结论

利用横向信号干扰原理,仿真并设计了一款谐波滤波器。在一般的双路信号干扰式滤波器的基础上,把两个双路单元进行了级联,并且在电路中添加了耦合环,最终使得滤波器的矩形度和阻带抑制效果有所提升。在通带频率1.2～1.3 GHz 范围内,插入损耗小于0.4 dB;有用信号的二倍、三倍频率处抑制度大于20 dB,典型值大于30 dB,滤波器的尺寸为20.4 mm×10 mm×0.381 mm。

实验采用薄膜工艺,在陶瓷基板上进行了制造。滤波器采取了微带线的结构形式,从而使其具有体积较小、重量较轻、易于平面集成等特点。此外,由于结构简单,制作成本较低,所使用的陶瓷工艺精度较高,成品一致性较好,因此更有利于该类产品的批量生产。