C波段SIR濾波器小型化的研究
引言
微波帶通濾波器作為一種體積小、重量輕和可靠性高的微波混合集成電路而廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，研制小型化高性能的微波濾波器已成為一種趨勢(shì)。SIR（階梯形阻抗諧振器）平行耦合帶通濾波器是一種比較獨(dú)特的平行耦合帶通濾波器，由Mitsuo Makimoto和Sadahiko Ya-mashita于1980年首先提出，它是低噪聲末級(jí)放大器和混頻器之間必不可少的關(guān)鍵部件。與傳統(tǒng)的微帶濾波器相比，微帶發(fā)夾型SIR（階梯阻抗諧振器）濾波器除具有尺寸小，易于集成，成本低的特點(diǎn)外，通過(guò)控制耦合線段和非耦合線段，還可以控制寄生通帶的位置，從而解決諧波抑制的問(wèn)題，因而在在L波段和S波段得到了廣泛的應(yīng)用。
本文首先介紹了SIR帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理,然后使用HFSS軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)通帶為4GHz?6GHz的五階內(nèi)耦合SIR帶通濾波器模型并進(jìn)行仿真分析，該濾波器經(jīng)過(guò)優(yōu)化后可達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)。
1 SIR帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理
1.1 SIR諧振器及其等效電路
發(fā)夾型SIR諧振器是由λg/2型SIR變形得到的，圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖。此結(jié)構(gòu)可以看作一個(gè)單一傳輸線與兩個(gè)開(kāi)路端面并聯(lián)耦合線的并聯(lián)，圖2所示是它的等效電路圖。
設(shè)圖2中的偶模和奇模以及與之相對(duì)應(yīng)的并聯(lián)耦合線的耦合角分別為Zpe、Zpo和θpe、θpo和印八印。，那么，其對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣A1為：
單根傳輸線的傳輸矩陣A2為:
若將AT定義為圖2所示電路的總的傳輸矩陣, 則有:
設(shè)電路負(fù)載阻抗為ZL,那么輸入導(dǎo)納Yi為：
在此結(jié)構(gòu)諧振器中，ZL可被認(rèn)為是無(wú)窮大，因此，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可假設(shè)偶模和奇模的相速相等，即有：
這樣，由式(1)?式(4)可得：
假設(shè)耦合線之間的耦合系數(shù)為K,Z0為孤立的 單根傳輸特征阻抗，ZP為考慮到另外一根耦合線影 響時(shí)的單根傳輸線特征阻抗，則由文獻(xiàn)［2］可知：
將式(7)和式(8)代入式(5),可得到最終諧振條件為:
其中，阻抗比為：RZ = ZPZS為了實(shí)現(xiàn)小型化,應(yīng)取較低的RZ和較大的K。另外,在固定RZ和K時(shí),取得最小諧振器長(zhǎng)度2(θS＋θP)的條件為θS＝θP,這等效于沒(méi)有采用耦合線結(jié)構(gòu)的一般形式的SIR。
1.2 耦合諧振器濾波器的基本原理
微波濾波器在通常情況下是由多個(gè)同樣結(jié)構(gòu)的諧振器串接而成的。在濾波器設(shè)計(jì)中，任意兩個(gè)相鄰諧振器之間的耦合系數(shù)可以表示為：
其中,W=?f/fo打,為相對(duì)帶寬。由文獻(xiàn)［2］可知，諧振器有三種耦合方式：電耦合、磁耦合和混合耦合，其耦合系數(shù)可近似為:
由于k隨諧振器之間的間距d變小而變大，由此便可確定滿足需要的耦合系數(shù)的間距d的大小。
2 C波段耦合SIR濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程
采用HFSS11作為仿真軟件，并根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的C波段內(nèi)耦合SIR濾波器，為5階帶通濾波器。該濾波器的中心頻率為5.0675GHz,通帶頻率為4.6675GHz?5.4675GHz,帶內(nèi)插損小于1.5dB。在4GHz和6GHz處的抑制均大于30dB?？傮w大小為20mmX20mm?；暹x取rogers4003,介電常數(shù)為3.55,厚度為0.508mm。其仿真模型如圖3所示。
設(shè)計(jì)時(shí)首先要設(shè)計(jì)諧振器的形狀，可先HFSS11軟件仿真優(yōu)化，以確定諧振頻率及尺寸參數(shù)。其諧振器仿真模型如圖4所示。
然后可在級(jí)間選用交叉混合耦合的方式進(jìn)行耦合,并使用HFSS11軟件仿真優(yōu)化，同時(shí)確定耦合間距、耦合級(jí)數(shù)、抽頭位置及尺寸調(diào)整等,最后得到能滿足指標(biāo)要求的濾波器。期間還需要找到對(duì)性能指標(biāo)影響較大的敏感變量并進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化
3 仿真結(jié)果及改進(jìn)
該諧振器的仿真結(jié)果如圖5所示。
從仿真結(jié)果可以看出，該諧振器的諧振點(diǎn)在中心頻率附近,二階諧振點(diǎn)在ioGHz以外。濾波器的仿真結(jié)果如圖6所示。
從仿真結(jié)果中的S21曲線可以看出，帶內(nèi)插損小于－1.5dB,在4GHz和6GHz處的帶外抑制度均超過(guò)了－30dB,寄生通帶在10GHz以外。但S11曲線指標(biāo)則較S21差,還有待改進(jìn)。而S21的仿真結(jié)果可以達(dá)到指標(biāo)要求而且還不錯(cuò)?？梢詫?shí)現(xiàn)小型化SIR濾波器的初衷。
4 結(jié)論
本文介紹了微波SIR帶通濾波器的基本理論，在此基礎(chǔ)上，利用HFSS軟件仿真設(shè)計(jì)了一個(gè)C波段的五階內(nèi)耦合SIR帶通濾波器,仿真結(jié)果表明，新濾波器可以達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)，并可成功實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)SIR濾波器的進(jìn)一步小型化。
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