Ka波段窄帶帶通濾波器研究

２０１０年第５期

大眾科技

Ｎｏ．５，２０１０

（總第１２９期）

ＤＡＺＨｏＮＧ ＫＥ Ｊ

（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｌｙ Ｎｏ．１ ２９）

Ｋａ波段窄帶帶通濾波器研究

蘇淵紅

（電子科技大學，四川成都６１００５４）

【摘要】為了避免頻域日益擁擠帶來的通信串擾，提高通信質量，高選擇性的濾波器被廣泛地關注和使用，并成為通信

系統中至關重要的器件。文章基于發夾型諧振腔，設計了工作于Ｋａ波段的窄帶帶通濾波器，并對其進行了不斷地優化和改進。

在此過程中，發現了一種可以壓制Ｓｌｌ的方法。最終得到的濾波器各項指標較好，且體積較小，在同類濾波器中具有一定的優

勢。

【關鍵詞】發夾型諧振腔；帶通濾波器；高性能；壓制

【中圖分類號】ＴＮ７１３．＋５ 【文獻標識碼】Ａ 【文章編號】１００８—１１５１（２０１０）０５—００３１—０２

（一）引言

Ｚ０＝５０Ｄ，代入以上各式，可以算出是 關于頻率 的關系

進入２１世紀，人類進入了信息時代，對信息的價值越來

式，利用該表達式，令０２取不同的值，得到一組 的值，得

．

越重視，對通信的要求越來越高，各種通信系統相繼發展起

來。與此同時，信號頻域變得越來越擁擠，使得用戶間產生

到圖２。

串擾的可能性大大提高。為了避免各個頻道之間的串擾，保

證高質量的通信，要求系統具有高選擇性，高的帶外抑制度。

為了完成無線通信系統選擇特定頻率，抑制不需要頻率成分，

并將需要的成分無損耗傳輸的任務，微波濾波器起到了至關

重要的作用。微波濾波器的性能，很大程度上決定了射頻信

號的質量，直接影響到系統的性能。本文采用微帶濾波器中

比較成熟的發夾形結構，仿真并優化了一個中心頻率處于Ｋａ

波段的極高頻窄帶帶通濾波器。

（二）發夾型結構諧振腔

圖２等效電路 模擬曲線

２１

發夾型結構是一種小型化的濾波器結構，被廣泛的研究

從圖２可以看出，等效電路計算出的 曲線為一個帶通

和使用。Ｃｒｉｓｔａｌ ａｎｄ Ｆｒａｎｋｅ１ ６首先將半波長諧振器折疊起

濾波器。該圖是在厶：Ｇ：ｃ１：１的情況下得到的，實際中這

來，形成一個 字形結構，稱作Ｈａｉｒｐｉｎ諧振腔。由微帶線

幾個元件的值會很小，得到的中心頻率會相應的提高。同時，

理論可知，一條終端開路的半波長微帶線可以等效為一個串

這個波形是在單一的諧振腔的條件下得到的，故帶寬很小。

聯諧振電路，而微帶線的兩端相當于兩個電容接地，這樣可

以畫出單個Ｈａｉｒｐｉｎ諧振腔的等效電路，如圖１。

當多個諧振腔共同工作，通過仿真軟件對各自的耦合關系進

行調整，讓它們之間的耦合關系調整的比較好，就可以將帶

幾

寬拓寬，同時達到其它性能的要求。

（三）交叉匹配發夾形極高頻窄帶帶通濾波器

發夾型結構作為一種緊湊型的結構，在濾波器設計中被

廣泛使用，并延伸、變化出了很多新的結構。本文中的濾波

圖１發夾型諧振腔等效電路

器，最初原型來源于Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｋｕ－Ｂａｎｄ Ｃｌａｓｓｉｃａｌ

根據參考文獻中的對電磁場奇偶次模的理論分析，可以

ａｎｄ Ｃｒｏｓｓ—Ｃｏｕｐｌｅｄ￣ｄｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ｈａｉｒｐｉｎ Ｆｉｌｔｅｒｓ。在此設

對圖１中的等效電路進行分析。

計中，采用相對介電常數為２．２的ＲＴ／５８８０介質基片，微帶

線導帶采用３ 厚的金，寬度為０．２毫米。

‘，∞１ 厶＋ ２ ．志＋，∞Ｌｌ 面１）－，∞Ｌ２

一

、

ｌｌ¨ ：

厶＋志

。如 ： ＼ ’

■ ｆ 。 ／

Ｆ

ｎ

５ｏ Ｊ ｝ｒ— ｊ

Ｚ０?（ｚ一一 ） （３）

ｍ －＿

“（ ＋ ）?（ ＋Ｚ０）

％ 壺 ２６ 南 ３ｏ

為了簡化分析，令厶：ｃＩ：ｃ２：Ｉ，且為了便于匹配

圖３ 濾波器初始結構及其仿真曲線

【收稿日期】２０１０—０３—０５

【作者簡介】蘇淵紅（１９８６一），男，電子科技大學電路與系統碩士研究生，研究方向為射頻與微波電路研究設計。

．

３１．

在優化過程中，將主要針對諧振腔寬度Ｃ，改變諧振腔長 此不一一贅述。通過嘗試，作者發現，在微帶線的兩端各加

度Ｌ。上下諧振腔間距ｄ，諧振腔之間距離ｗ、ｂ這幾個變量 入一個短的微帶線，使其和微帶線構成一個小的諧振腔，可

進行一些探索，尋求這些參數的變化與濾波器波形的關系，

并最終得到一個比較好的仿真曲線。由于該過程比較繁瑣，

在此，只列舉２個比較有代表意義的參數作說明。

以起到一定的效果，如圖８所示。

經過以上的一系列工作，濾波器從最開始的初始結構，

優化到一個比較好的結果；隨后在此結果中加入了微帶線以

壓制帶內５ｍ得到了加入微帶線后的結果：之后，為了進一

步改善通帶內Ｓｌ。的效果，作者又將加入的微帶線形狀進行變

圖４厶， 取不同值時ｓ２。的曲線圖

’

最終，當各幾何參數取值為Ｌ ＝１．７ｍｍ，Ｌ２＝１．６ｍｍ，

ｗ＝０．５ｍｍ，ｂ＝０．１ｍｍ，ｃ＝０．７ｍｍ，ｄ＝０．３ｍｍ的時候，可以得到一

組比較好的仿真波形。

｝； ；Ｉ

ｌ

｜ 一 ＼ｉ ＿。、。

／

／

／

圖５優化結果的仿真曲線圖

在對初始結構進行優化得到的結果中，帶內Ｓ 還比較高，

需要對其進行壓制。通過多次嘗試發現，發現在初始結構的

下面兩個諧振腔內，加入一根微帶線（如圖６），可以起到一

定的效果。經過試驗，作者發現，微帶線的長短和其所處位

置對Ｓｌ。的影響最為明顯，在下文將對這兩個參數分別進行變

化，并測量其對濾波器波形的具體影響，以期找到一個比較

好的契合點。

圖６在結構中加入微帶線示意圖

通過在初始結構中加入微帶線，并對微帶線的位置及長

短進行優化，得到了圖７的結果，其中，Ｓ＝０．１，Ｌ＝Ｉ．４。從

仿真波形可以看出，通帶內 很平坦，兩個傳輸零點也很明

顯，陡峭度也能達到要求。通帶內Ｓ 比初始結構中下降了很

多，但在２７．５ＧＨｚ左右有一個比較高的點，如圖中標注的Ｍ

點。下面的工作就主要針對這個點，把這個點往下移動，從

而使整個通帶內ｓｌ 的值都達到一個比較低的水平。

圖７對微帶線優化結果的仿真波形

為了將圖７中的ｉ點往下拉，作者作了很多嘗試，如：

將所加的微帶線寬度進行變化：再引入一個微帶線并改變兩

根微帶線的相對位置；在微帶線中引入不連續結構等等，在

．

３２．

化，得到了最終的仿真結果，如圖８所示。

，

＋ —前

二： 二

…

； ｉ｜＿

ｉ

１

圖８微帶線變形和Ｒ變化時Ｓｌ。波形

圖９濾波器最終結構圖

如圖９，即為濾波器最終的結構圖，圖中標注了一些參數。

濾波器最終面積為６．２×５．５：３４．１ ｍｍ２。其仿真結果如圖１Ｏ

所示。

圖１０濾波器最終結構仿真波形

從仿真結果可以看出，該濾波器帶內平坦度很好，左右

兩個傳輸零點也很明顯，帶內Ｓ 壓制的效果也很好，都在

２０ｄＢ以下，可以很好地滿足要求．

（四）結論

本文從比較成熟的發夾型諧振腔的基礎上，通過仿真和

優化，得到了一個各項指標都很優異的窄帶帶通濾波器。在

優化過程中，發現了一種通過添加微帶線，改變局部耦合關

系，來壓制 的方法。

【參考文獻】

【１］ＲＪ．Ｆ．Ｆａｎｇ，“Ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｈａｎｎｅｌｓ

ｗｉｔｈ ｃａｓｃａｄｅｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ａｄｊａｃｅｎｔ ｃｈａｎｎｅｌ

ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，”ＵＪ．ＩＥＥＥ ｔｒａｉｌｓ．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｖｏ１．２９，ｎｏ．５，

ＰＰ．５６７—５８１．Ｍａｖ １９８１．

【２】ｃ．一Ｐ．Ｌｉａｎｇｄ．一ＨＪｏｎｇ，Ｗ．Ｅ．Ｓｔａｒｋ ａｎｄ Ｊ．１ｑ．．Ｅａｓｔ，‘＂Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ

ａｍｐ￣ｆｉｅｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，”Ⅱ】．ＩＥＥＥ

Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ Ｔｅｃｈ．，ｖｏ１．４７，ｎｏ．８，ＰＰ．１４６１－１４６６，

Ａｕｇ．１９９２．

［３］Ｅ．Ｇ．Ｃｒｉｓｔａｌ ａｎｄ Ｓ．Ｆｒａｎｋｅｌ，“Ｈａｉｒｐｉｎ—ｈｎｅ ａｎｄ ｈｙｂｒｉｄ

ｈａｉｒｐｉｎ—ｈｎｅ ｈａｌｆ－ｗａｖｅ ｐａｒａｌｌｅｌ—ｃｏｕｐｌｅｄ ｈｎｅ ｉｆｌｔｅｒｓ，”Ⅱ】．ＩＥＥＥ

Ｔｒａｍ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ Ｔｅｃｈ．，ｖｏ１．ＭＴＴ一２Ｏ，ＰＰ．７１９—７２８，

Ｎｏｖ．１９７２．

［４】ｊ．－ｓ．Ｈｏｎｇ ａｎｄ Ｍ．Ｊ．Ｌａｎｃａｓｔｅｒ， “Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ｆｉｌｔｅｒｓ ｆｏｒ

ＲＦ／Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｐｐｈｃａｔｉｏｎｓ，”［ＭＩ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｗｉｌｅｙ，２００１．

［５】Ｊｉａ ｍｇＨｏｎｇ ａｎｄＭｉｃｈａｅｌ ＪＪＬａ ‘＇Ｃｒｙ－ＣｏｕｐｌｅｄＭ ｏ

Ｈａｉｒｐｉｎ－Ｒｅｓｏｎａｔ￣ ”田．皿匝Ｔｒａｎｓ．＾位Ｉｏ’ ｌ。ｃ

Ｔ￣ｈＬｖｏｔ４６ＪＮＯ．１ ｍａ １９９８．