微带发夹式带通滤波器设计

袁玉先，孙国泉，钟仙凤

(1.青岛滨海学院实验中心，山东 青岛 266555;2.中国电子科技集团公司第41研究所研发3部，山东 青岛 266555)

微带带通滤波器具有设计简单、制作方便、体积小且便于集成等优点，在微带电路中得到广泛应用。在各种形式的滤波器中，其中发夹型带通滤波器，由于具有紧凑的电路结构且带外抑制高等优点受到EDA工作者喜爱。发夹型谐振器通过适当的半波长耦合拓扑结构实现滤波，其耦合线终端开路，无需过孔接地，从而消除了过地孔引入的加工误差，这一特点是交指型滤波器所不能比拟的。因此，它具有更好的电性能，在微波平面电路的设计中拥有良好的应用前景。

文中根据微带滤波器设计的基本原理与谐振器间距的确定方法，利用Ansoft软件在微带滤波器设计中的优化仿真功能，介绍了一种发夹型微带滤波器设计方法和步骤，其设计过程简单，且效果较好。文中给出了一个X波段(10.6～11.4 GHz)带通滤波器的设计实例，该滤波器的实测结果理想，已经被应用到一些工程微带电路设计中。

1 发夹型微带滤波器的设计方法

1.1 发夹型带通滤波器

发夹型滤波器是由发夹型谐振器并排排列耦合而成，它是将半波长耦合谐振器折合成“U”字型构成的，其耦合拓扑结构属于交叉耦合。交叉耦合的最大优点是能在通带附近的有限频率处产生传输零点，因而滤波器的带外抑制能力将获得较大提高［1－3］。

1.2 滤波器各参数初值的确定

发夹型滤波器的信号输入输出方式可采用抽头式和平行耦合方式，文中采用抽头方式输入输出设计。滤波器的性能由滤波器的各参数值确定:发夹谐振器的臂长L，发夹间距S及发夹线宽W和抽头位置T。其中臂长为L=λ0/(4·。当谐振器线宽w与板厚 h的比值 ＜2时，有效介电常数由 εreff式(1)确定［4－6］

抽头发夹线谐振器结构采用U字型结构，弯角处采用直角弯角，如图1所示。

图1 抽头发夹线谐振器

X波段U字型谐振器结构中直角弯角的长度计算为0.7倍线宽，抽头与50 Ω微带线匹配，相邻的谐振器间耦合系数一般使用如式(2)所示的通用公式［4－6］计算

式中，i是发夹式谐振器的序号;n是滤波器的阶数;FBW=(f2－f1)/f0是相对中心频率的归一化带宽;gi是滤波器低通原型中第i个归一化元件值。

抽头式发夹谐振器的抽头位置可由式(3)确定［5－6］

式中，R是抽头线的特性阻抗;Z0是发夹式滤波器的特性阻抗;t是抽头微带线到发夹式谐振器中间位置的距离;Q=是发夹式谐振器的外部耦合系数。

2 微波滤波器的设计

2.1 已知相关参数

根据实际工程需要设计一个X波段抽头发夹微带滤波器，滤波器指标要求如下:中心频率为11 GHz，通带频率10.6～11.4 GHz;带内波纹≤0.5 dB;带外抑制为12 GHz时衰减＞50 dB。

2.2 确定滤波器的结构

根据指标要求，选用7阶通带纹波为0.2 dB的Chebyshev 滤波器，查表知低通原型参数为［2，5－6］:g0=g8=1;g1=g7=1.3722;g2=g6=1.3781;g3=g5=2.2756;g4=1.5001。基板材料为介电常数9.9的陶瓷Al2O3，厚度0.254 mm。用式(2)求得耦合系数为:K12=K67=0.066，K23=K56=0.051，K34=K45=0.049。由耦合系数K与发夹间距S的关系在软件进行仿真求得 S1=0.14 mm，S2=0.40 mm，S3=0.50 mm。用式(3)求得抽头位置t=0.53 mm;用式(1)求得 L=2.624 mm。

利用Ansoft Serenade软件建立仿真电路图，如图2所示。由以上数据构成滤波器结构参数的初值，初步确定发夹式滤波器的具体尺寸后进行优化。接下来进行电路仿真、优化，优化算法中随机算法与梯度算法较为常用，一般为两者交替使用。经优化得到理想的模型电路仿真结果，如图3所示。

图2 11 GHz发夹带通滤波器Serenade电路模型

图3 Serenade软件下的滤波器电路仿真曲线

图3所示，11 GHz处的通带插损S21约为1.91 dB，输入端口驻波S11约为－35 dB，10 GHz和12 GHz处的带外抑制约＜－43 dB。由于电磁场仿真结果与实测结果较接近，因此有必要用Ensemble软件中进行电磁场仿真，得到滤波器的频率特性如图4所示。

图4所示，此时输入驻波 S11曲线有所恶化，但10 GHz和12 GHz处带外抑制则有较大改善。图5是Serenade软件导入S2A软件中形成的结构图。

将此滤波器加工成微带片，然后用导电胶H20E粘结到合适的铜腔体上，微带片两端通过金带连接到SMA－KFD31连接器的内导体上，最后利用矢量网络分析仪测试上述滤波器所得的响应曲线如图6所示。由图6可知测试结果与模型仿真结果吻合较好，但插损略大(＜4 dB)，反射损耗均＞10 dB，该滤波器实测结果较理想。

3 结束语

首先依据微带发夹带通滤波器的设计原理得出滤波器的各参数初值，再利用Serenade微波电路仿真软件，完成滤波器各参数值的确定。由于受微带线加工精度、测试仪器校准误差带来的误差影响，进行实物测试时，滤波器通带内衰减比仿真时稍大，但这并不影响仿真结果对设计方法正确性的验证。

图6 11 GHz发夹带通滤波器实测曲线

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