波段发夹型滤波器
一技=术交流
76
万方数据
滤波器的性能由以下参数确定:发夹谐振器的臂长£,间距S及线宽w和抽头位置f。其中发夹谐振器臂长为
麓彳,其中K:k,/、/i,h是滤波器中心频率上
的自由空间传播波长,当谐振器线宽W与板厚h的比值小于2时,有效介电常数e,。由式(1)确定,其中s,为基片的相对介电常数:
£。=孚+孚南㈩
发夹型滤波器广为应用在微波低频段。在Ku波段应
用时,滤波器结构已经变得十分紧凑,为保证设计精度,介质板介电常数一般选用较小,而使得线宽W增大(发卡式滤波器的特性阻抗选取为75欧姆)。同时随着工作频率的提高,工作波长减小,半波阵子长度也随之减小,同时
这些因素造成了谐振器臂长为L=鼍彳与线宽w的比值急
剧增大,传统的开环谐振器结构已经不适合于Ku波段应用,需对其结构进行一定的修正。
图1抽头发夹线谐振器
如图1为抽头发夹线谐振器修正结构。谐振器采用U字型结构,弯角处采用50%切割直角弯角,进入Ku波段U宇型谐振器结构中直角弯角的长度已不可忽略,这里计算为0.7倍线宽。抽头与50欧姆微带线匹配,并加入一段渐
变线,以减小不连续效应对谐振器的影响。减d,U字结构中平行双线问距离a,使其在0.8~1.5倍线宽之间。
根据耦合相关理论,两个谐振器问的耦合根据谐振器放置的相对位置可分为电耦合,磁耦合和混合耦合3种,实际应用中多采用混合耦合。耦合间距s和耦合系数k有对应关系。其关系可作实验求取,这里通过HFSS软件中Eigenmodesimulation仿真求得。当耦合系数大于1/
万方数据
Ku波段发夹型滤波器的设计
Qo(Qo为发夹谐振回路的品质因数)时,Eigenmode
simuIation仿真可得到两个模的谐振频率,分别记为尤l
和厶2(厶1<‘2),则耦合系数k用下式计算:
K=糌
㈤
根据公式(2)应用HFSS软件中Eigenmodesimulation经大量仿真计算得到耦合系数与间距的关系曲
圜困囡园
图2Ku波段耦合系数修正曲线
由图2中关系曲线可知,耦合系数k随着发夹间距的增加而减小。同时耦合系数k随w/h变化,当w/h增加时,耦合系数k减小。同时耦合系数k随着介电常数的增加而减小。修正后的发夹线谐振器在Ku波段得到的耦合系数曲线,与低频段常用的耦合系数曲线存在较大差异,图2对发夹线滤波器在Ku波段的设计应用有一定参考价值。
待设计滤波器相邻谐振器问耦合系数一般使用下面
77
2009。2‘广东通信技术
技术交流
的通用计算公式:,?
FBW
Kf.“12—产=—=
i=1,2,…,几.1
(3)
√gigi+l
式中,i是发夹式谐振器的序号,FBW=
∽一%,黼舯-频酬]一化瓶gi为滤
波器低通原型中第i个归一化元件值,n为滤波器的阶数。由(3)式及图1可确定发卡式谐振器的间距S。
在采用抽头线耦合的方式时,发卡式谐振器的抽头位置可由下式确定
2三
.
t=——arcsln
7c
互砜
式中三=%,R是抽头线的特性阻抗,z。是发卡
圜式滤波器的特性阻抗,t是抽头微带线到发卡式谐振器中
困圉园
间位置的距离,Q:量逝是发卡式谐振器的外部耦合
FBW
系数。
3微波滤波器的设计
3.1已知相关参数
根据实际工程的需要设计一个Ku波段抽头发夹线微带滤波器,滤波器指标要求如下:中心频率为12.5GHz,
通带频率:12-25GHpl2.75GHz;带内波纹:s0.5
dB;
带外抑制:10.35GHz时衰减大于40dB。
3.2确定滤波器的结构
我们设计的是抽头发夹线耦合微带线带通滤波器。
根据相关参数计算滤波器选用5N通带纹波为0.2dB的
Chebyshev滤波器,其低通原型参数为:go=96=1.0;
gl=95=1.3394;92=94=1.3370;93=2.1660。
基板选用Taconic公司的TLY-5型微波介质板,介电常数:£。=2.2;损耗角正切:tanD=0.0009;基板厚
78
万方数据
度:h=0.508mm;敷铜层厚度为35“m;印制板加工中
镀金层厚度为0.2
um。
3.3参数计算
发夹线滤波器的带宽总是比相应的半波长平行耦合线滤波器的带宽窄一些,因此在开始设计时应该选择带宽稍为宽一些的半波长平行耦合线滤波器,这里取为1.4倍,即:
FBW=1.4
X
0.5/12.5=0.056
线宽取0_75mm,臂间距取O.75mm。用式(3)求得耦合系数为:
K,。=巧j=0.042;K2j=局4=0.033
由耦合系数根据图2求得发夹间距。用式(4)求得抽头位置。计算结果如下:
s,=。.W
mm三=钐=4钾2
mm
s2=0.87mm
t=0.604mm
考虑到微带线的终端开路效应,四分之一波长微带线的修正长度为:4.472一O.44h=4.472—0.44×0.508=
4.248mm。
"'1111i1UII'"
图3发夹线滤波器版图
根据上面设计的参数作为原始参数,初步确定发卡式滤波器的具体尺寸。利用AnsoftDesigner软件建立仿真电路图,进行模拟、调谐、优化,在HFSS软件中进行仿真,得到滤波器的频率特性如图4所示。
发夹线滤波器较多应用于微波低频段,进入Ku波段
后,相关的理论计算公式已存在一定的误差,在仿真结果
中其主要表现为出现一定的频偏和驻波特性变差。因此,
在微波电路设计中,优化已经成为不可缺少的不分。优化算法中随机算法与梯度算法最为常用,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。
由于计算原理方法不同,相同电路的三维电磁仿真
结果与模型仿真结果比较存在一定差别。三维电磁仿真结果与实际测试结果比较接近,然而三维电磁仿真计算量大,对电路的调整需要在模型电路中进行。本文中设计的
。淑蒂发丧滤液器三维电磁仿真结果比模型仿真结果中心
频率向高频端偏移,且S11曲线恶化。经大量仿真对比说明,保持模型仿真电路的切比雪夫(等波纹)特性,可以较好地解决三维电磁仿真结果中S11曲线恶化问题。频率偏移可通过参数调谐实现,主要微调节臂长,同时调谐其它参量以保证电路的切比雪夫(等波纹)特性。经反复调谐、优化得到理想结果。
弋
,,
,
再、?
一rq∽∽ny”y…/
┃
∞∞勺勺
Hz
(a化后滤波器模型仿真结果
一r■∽∽∞∞勺它
Z
(b波器的三维电磁仿真结果
果结真仿器4图
ilent872ES网络分析仪测试制作的滤波器,
11.3Hzg[:]大于1于小率3.5Hz处的衰减可达频波滤到4
dB以.测试结果与Designer优化仿真得到的结果基
。求图5器性能实测曲线要标指足满一本
万方数据
Ku波段发夹型滤波器的设计
n
3
327
:G
№∞№
。
№
e
赢裟
4
束
线发夹带通型滤波器具有结构紧凑,尺寸
应为广了到得段频低波微在,点优等低本成和轻,小件软等茹诸而。值价用应际实高较有段频
成计设了少减,期周计设的路电波微/频射短缩以可9
较有期预计设与果结试测,标指能性的好较得获,本
。性的好
1
明郭陈江,微带抽头线发卡型滤波器设计【J】.微电子与
,2003,29(9):57—60
2
n
Jiasheng。LancasterMJMcrostripfilersfor
RF/
owave
appications[M]。NewYor:John
Wily&Sons.
,2001.29-133
3
其项家桢,袁孝康.微波集成电路设计【M】.北京:人民
社,1978,208-218
4
n
J
SLncaster
M
JCuplingsof
icostripsqure
--loopresnators
for
cros--coupledplaarmicowave
ers[J].IEEETras.MicrowaveTheryTec.,1996,44:2
0992109
5
o
J
SMcrostripTaped—Line
FilerDesgn[J].IEEE
sactionson
icowave
TheryandTecniques,1979
):44—50
期:2008—12—20)
术技信通东广‘.囡
Ku波段发夹型滤波器的设计
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
张俊哲
桂林电子科技大学信息与通信学院广东通信技术
GUANGDONG COMMUNICATION TECHNOLOGY2009,29(2)
参考文献(5条)
1. 李明洋;郭陈江 微带抽头线发卡型滤波器设计[期刊论文]-微电子与基础产品 2003(09)2. Hong Jia-sheng;Lancaster M J Microstrip filters for RF/microwave applications 20013. 顾其诤;项家桢;袁孝康 微波集成电路设计 1978
4. Hong J S;Lancaster M J Couplings of m Jcrostrip square open-loop resonators for cross-coupledplanar microwave filters[外文期刊] 1996(12)
5. Wong J S Microstrip Tapped-Line Filter Design[外文期刊] 1979(01)
本文读者也读过(10条)
1. 李君. 杜国宏. LI Jun. DU Guo-hong 微带发夹型滤波器的设计[期刊论文]-成都信息工程学院学报2007,22(z1)2. 武伟. 樊孝明. Wu Wei. Fan Xiao-ming 微带抽头线发夹型滤波器的CAD设计[期刊论文]-山西电子技术2007(4)3. 郑迎宾. 孙兴超. 崔英善. Zheng Ying-bin. Sun Xing-chao. Cui Ying-shan 发夹型滤波器的设计[期刊论文]-山西电子技术2008(6)
4. 李明洋. 郭陈江 微带抽头线发夹型滤波器设计[期刊论文]-电子工程师2003,29(9)
5. 高媛. 邓中亮. GAO Yuan. DENG Zhong-liang 微带发夹型带通滤波器设计[期刊论文]-无线电工程2008,38(4)6. 李艳江. 吴孟强. 彭森. 周晓华. 张树人. LI Yanjiang. WU Mengqiang. PENG Sen. ZHOU Xiaohua. ZHANG Shuren 高可靠性发夹型带通滤波器的设计与制作[期刊论文]-电子元件与材料2010,29(10)7. 胡一粟 发夹型交叉耦合带通滤波器的研究[学位论文]2005
8. 杨立军. 黄居敏. 王泉. 袁乃昌 一种新型微带发夹带通滤波器的设计[会议论文]-2009
9. 李宝平. 吴楠. 王会华. Li Baoping. Wu Nan. Wang Huihua 具有多次谐波抑制的发夹型微波带通滤波器[期刊论文]-空间电子技术2010,7(1)
10. 邓哲. 程崇虎. 吕文俊. 朱洪波. DENG Zhe. Cheng Chong-hu. Lü Wen-jun. ZHU Hong-bo 微带发夹型谐振器滤波器的实验研究[期刊论文]-微波学报2005,21(z1)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gdtxjs200902017.aspx
波段发夹型滤波器
一技=术交流
76
万方数据
滤波器的性能由以下参数确定:发夹谐振器的臂长£,间距S及线宽w和抽头位置f。其中发夹谐振器臂长为
麓彳,其中K:k,/、/i,h是滤波器中心频率上
的自由空间传播波长,当谐振器线宽W与板厚h的比值小于2时,有效介电常数e,。由式(1)确定,其中s,为基片的相对介电常数:
£。=孚+孚南㈩
发夹型滤波器广为应用在微波低频段。在Ku波段应
用时,滤波器结构已经变得十分紧凑,为保证设计精度,介质板介电常数一般选用较小,而使得线宽W增大(发卡式滤波器的特性阻抗选取为75欧姆)。同时随着工作频率的提高,工作波长减小,半波阵子长度也随之减小,同时
这些因素造成了谐振器臂长为L=鼍彳与线宽w的比值急
剧增大,传统的开环谐振器结构已经不适合于Ku波段应用,需对其结构进行一定的修正。
图1抽头发夹线谐振器
如图1为抽头发夹线谐振器修正结构。谐振器采用U字型结构,弯角处采用50%切割直角弯角,进入Ku波段U宇型谐振器结构中直角弯角的长度已不可忽略,这里计算为0.7倍线宽。抽头与50欧姆微带线匹配,并加入一段渐
变线,以减小不连续效应对谐振器的影响。减d,U字结构中平行双线问距离a,使其在0.8~1.5倍线宽之间。
根据耦合相关理论,两个谐振器问的耦合根据谐振器放置的相对位置可分为电耦合,磁耦合和混合耦合3种,实际应用中多采用混合耦合。耦合间距s和耦合系数k有对应关系。其关系可作实验求取,这里通过HFSS软件中Eigenmodesimulation仿真求得。当耦合系数大于1/
万方数据
Ku波段发夹型滤波器的设计
Qo(Qo为发夹谐振回路的品质因数)时,Eigenmode
simuIation仿真可得到两个模的谐振频率,分别记为尤l
和厶2(厶1<‘2),则耦合系数k用下式计算:
K=糌
㈤
根据公式(2)应用HFSS软件中Eigenmodesimulation经大量仿真计算得到耦合系数与间距的关系曲
圜困囡园
图2Ku波段耦合系数修正曲线
由图2中关系曲线可知,耦合系数k随着发夹间距的增加而减小。同时耦合系数k随w/h变化,当w/h增加时,耦合系数k减小。同时耦合系数k随着介电常数的增加而减小。修正后的发夹线谐振器在Ku波段得到的耦合系数曲线,与低频段常用的耦合系数曲线存在较大差异,图2对发夹线滤波器在Ku波段的设计应用有一定参考价值。
待设计滤波器相邻谐振器问耦合系数一般使用下面
77
2009。2‘广东通信技术
技术交流
的通用计算公式:,?
FBW
Kf.“12—产=—=
i=1,2,…,几.1
(3)
√gigi+l
式中,i是发夹式谐振器的序号,FBW=
∽一%,黼舯-频酬]一化瓶gi为滤
波器低通原型中第i个归一化元件值,n为滤波器的阶数。由(3)式及图1可确定发卡式谐振器的间距S。
在采用抽头线耦合的方式时,发卡式谐振器的抽头位置可由下式确定
2三
.
t=——arcsln
7c
互砜
式中三=%,R是抽头线的特性阻抗,z。是发卡
圜式滤波器的特性阻抗,t是抽头微带线到发卡式谐振器中
困圉园
间位置的距离,Q:量逝是发卡式谐振器的外部耦合
FBW
系数。
3微波滤波器的设计
3.1已知相关参数
根据实际工程的需要设计一个Ku波段抽头发夹线微带滤波器,滤波器指标要求如下:中心频率为12.5GHz,
通带频率:12-25GHpl2.75GHz;带内波纹:s0.5
dB;
带外抑制:10.35GHz时衰减大于40dB。
3.2确定滤波器的结构
我们设计的是抽头发夹线耦合微带线带通滤波器。
根据相关参数计算滤波器选用5N通带纹波为0.2dB的
Chebyshev滤波器,其低通原型参数为:go=96=1.0;
gl=95=1.3394;92=94=1.3370;93=2.1660。
基板选用Taconic公司的TLY-5型微波介质板,介电常数:£。=2.2;损耗角正切:tanD=0.0009;基板厚
78
万方数据
度:h=0.508mm;敷铜层厚度为35“m;印制板加工中
镀金层厚度为0.2
um。
3.3参数计算
发夹线滤波器的带宽总是比相应的半波长平行耦合线滤波器的带宽窄一些,因此在开始设计时应该选择带宽稍为宽一些的半波长平行耦合线滤波器,这里取为1.4倍,即:
FBW=1.4
X
0.5/12.5=0.056
线宽取0_75mm,臂间距取O.75mm。用式(3)求得耦合系数为:
K,。=巧j=0.042;K2j=局4=0.033
由耦合系数根据图2求得发夹间距。用式(4)求得抽头位置。计算结果如下:
s,=。.W
mm三=钐=4钾2
mm
s2=0.87mm
t=0.604mm
考虑到微带线的终端开路效应,四分之一波长微带线的修正长度为:4.472一O.44h=4.472—0.44×0.508=
4.248mm。
"'1111i1UII'"
图3发夹线滤波器版图
根据上面设计的参数作为原始参数,初步确定发卡式滤波器的具体尺寸。利用AnsoftDesigner软件建立仿真电路图,进行模拟、调谐、优化,在HFSS软件中进行仿真,得到滤波器的频率特性如图4所示。
发夹线滤波器较多应用于微波低频段,进入Ku波段
后,相关的理论计算公式已存在一定的误差,在仿真结果
中其主要表现为出现一定的频偏和驻波特性变差。因此,
在微波电路设计中,优化已经成为不可缺少的不分。优化算法中随机算法与梯度算法最为常用,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。
由于计算原理方法不同,相同电路的三维电磁仿真
结果与模型仿真结果比较存在一定差别。三维电磁仿真结果与实际测试结果比较接近,然而三维电磁仿真计算量大,对电路的调整需要在模型电路中进行。本文中设计的
。淑蒂发丧滤液器三维电磁仿真结果比模型仿真结果中心
频率向高频端偏移,且S11曲线恶化。经大量仿真对比说明,保持模型仿真电路的切比雪夫(等波纹)特性,可以较好地解决三维电磁仿真结果中S11曲线恶化问题。频率偏移可通过参数调谐实现,主要微调节臂长,同时调谐其它参量以保证电路的切比雪夫(等波纹)特性。经反复调谐、优化得到理想结果。
弋
,,
,
再、?
一rq∽∽ny”y…/
┃
∞∞勺勺
Hz
(a化后滤波器模型仿真结果
一r■∽∽∞∞勺它
Z
(b波器的三维电磁仿真结果
果结真仿器4图
ilent872ES网络分析仪测试制作的滤波器,
11.3Hzg[:]大于1于小率3.5Hz处的衰减可达频波滤到4
dB以.测试结果与Designer优化仿真得到的结果基
。求图5器性能实测曲线要标指足满一本
万方数据
Ku波段发夹型滤波器的设计
n
3
327
:G
№∞№
。
№
e
赢裟
4
束
线发夹带通型滤波器具有结构紧凑,尺寸
应为广了到得段频低波微在,点优等低本成和轻,小件软等茹诸而。值价用应际实高较有段频
成计设了少减,期周计设的路电波微/频射短缩以可9
较有期预计设与果结试测,标指能性的好较得获,本
。性的好
1
明郭陈江,微带抽头线发卡型滤波器设计【J】.微电子与
,2003,29(9):57—60
2
n
Jiasheng。LancasterMJMcrostripfilersfor
RF/
owave
appications[M]。NewYor:John
Wily&Sons.
,2001.29-133
3
其项家桢,袁孝康.微波集成电路设计【M】.北京:人民
社,1978,208-218
4
n
J
SLncaster
M
JCuplingsof
icostripsqure
--loopresnators
for
cros--coupledplaarmicowave
ers[J].IEEETras.MicrowaveTheryTec.,1996,44:2
0992109
5
o
J
SMcrostripTaped—Line
FilerDesgn[J].IEEE
sactionson
icowave
TheryandTecniques,1979
):44—50
期:2008—12—20)
术技信通东广‘.囡
Ku波段发夹型滤波器的设计
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
张俊哲
桂林电子科技大学信息与通信学院广东通信技术
GUANGDONG COMMUNICATION TECHNOLOGY2009,29(2)
参考文献(5条)
1. 李明洋;郭陈江 微带抽头线发卡型滤波器设计[期刊论文]-微电子与基础产品 2003(09)2. Hong Jia-sheng;Lancaster M J Microstrip filters for RF/microwave applications 20013. 顾其诤;项家桢;袁孝康 微波集成电路设计 1978
4. Hong J S;Lancaster M J Couplings of m Jcrostrip square open-loop resonators for cross-coupledplanar microwave filters[外文期刊] 1996(12)
5. Wong J S Microstrip Tapped-Line Filter Design[外文期刊] 1979(01)
本文读者也读过(10条)
1. 李君. 杜国宏. LI Jun. DU Guo-hong 微带发夹型滤波器的设计[期刊论文]-成都信息工程学院学报2007,22(z1)2. 武伟. 樊孝明. Wu Wei. Fan Xiao-ming 微带抽头线发夹型滤波器的CAD设计[期刊论文]-山西电子技术2007(4)3. 郑迎宾. 孙兴超. 崔英善. Zheng Ying-bin. Sun Xing-chao. Cui Ying-shan 发夹型滤波器的设计[期刊论文]-山西电子技术2008(6)
4. 李明洋. 郭陈江 微带抽头线发夹型滤波器设计[期刊论文]-电子工程师2003,29(9)
5. 高媛. 邓中亮. GAO Yuan. DENG Zhong-liang 微带发夹型带通滤波器设计[期刊论文]-无线电工程2008,38(4)6. 李艳江. 吴孟强. 彭森. 周晓华. 张树人. LI Yanjiang. WU Mengqiang. PENG Sen. ZHOU Xiaohua. ZHANG Shuren 高可靠性发夹型带通滤波器的设计与制作[期刊论文]-电子元件与材料2010,29(10)7. 胡一粟 发夹型交叉耦合带通滤波器的研究[学位论文]2005
8. 杨立军. 黄居敏. 王泉. 袁乃昌 一种新型微带发夹带通滤波器的设计[会议论文]-2009
9. 李宝平. 吴楠. 王会华. Li Baoping. Wu Nan. Wang Huihua 具有多次谐波抑制的发夹型微波带通滤波器[期刊论文]-空间电子技术2010,7(1)
10. 邓哲. 程崇虎. 吕文俊. 朱洪波. DENG Zhe. Cheng Chong-hu. Lü Wen-jun. ZHU Hong-bo 微带发夹型谐振器滤波器的实验研究[期刊论文]-微波学报2005,21(z1)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gdtxjs200902017.aspx