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1、微帶抽頭線濾波器的設(shè)計(jì)二十五所 魏紹仁【摘要】本文旨在介紹微帶抽頭濾波器的曲線設(shè)計(jì)和運(yùn)用Microwave Office軟件對(duì)其設(shè)計(jì)、優(yōu)化。微帶抽頭線濾波器設(shè)計(jì)與常規(guī)微帶濾波器相比其優(yōu)點(diǎn)就是中等帶寬而言在結(jié)構(gòu)上很容易實(shí)現(xiàn),而常規(guī)微帶濾波器已達(dá)到其結(jié)果的極限范圍。但是曲線設(shè)計(jì)有一定的誤差,而用Microwave Office軟件可以進(jìn)行比較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)?!娟P(guān)鍵詞】微帶抽頭線濾波器,耦合系數(shù)。一、引言微波帶通濾波器是一種受到廣泛研究的濾波器,其中最適合微波集成電路的就是半波長(zhǎng)平行耦合濾波器,它們均不要求微帶電路到地的連接(在微波集成電路中,這種對(duì)地連接是不方便的)。如今由于工藝上的進(jìn)步,這種接地已不
2、成問(wèn)題,這使得微帶抽頭線耦合濾波器的制作上很容易實(shí)現(xiàn)。和常規(guī)的濾波器相比具有體積小和成本低的優(yōu)點(diǎn)。尤其在端節(jié)耦合非常緊的情況下,而同樣的濾波器用抽頭線法則是可行的。在以前發(fā)表的有關(guān)文章中都沒(méi)有介紹進(jìn)行抽頭濾波器的準(zhǔn)確的設(shè)計(jì),而本文介紹的MicrowaveOffice軟件就可以對(duì)其進(jìn)行比較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)。二、微帶抽頭交指濾波器的設(shè)計(jì)在微帶抽頭交指濾波器的設(shè)計(jì)中,以抽頭為加載的第一和最后一節(jié)的單端加載Q(QS)和相鄰諧振器之間的偶合系數(shù)(K)是些必不可少的參量。一旦知道了單端加載Q值,那么圖1的分接點(diǎn)1/L就可以由下式算出: (1)式中: R信號(hào)源阻抗(一般都是50歐姆)ZC為濾波器的內(nèi)阻抗。Qsi為
3、單端加載Q值L為耦合微帶線的長(zhǎng)度l為抽頭線到短路端的距離耦合系數(shù)(k)是由線寬和諧振器間的距離來(lái)確定的,在耦合系數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,各諧振器帶線寬度可以選得相等,而通過(guò)改變間隙以得到不同的耦合,從而得到S/H對(duì)K的關(guān)系曲線見(jiàn)(附錄二),這里不去追究實(shí)驗(yàn)原理、方法。圖一 交指抽頭濾波器下面給出一個(gè)在微帶交指濾波器在DF21C高頻前端上的典型實(shí)例。濾波器的技術(shù)指標(biāo):中心頻率為 f0 GHz,相對(duì)帶寬為10%,帶內(nèi)衰減為2dB,在3BW3dB以外抑制為45dB以上。根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo),選用八極點(diǎn)微帶抽頭線交指濾波器,并選用復(fù)合介質(zhì)基片=9.6 H=0.8mm。 圖二 8極點(diǎn)微帶抽頭線交指濾波器在設(shè)計(jì)這
4、一濾波器時(shí),第一步是確定它的3dB帶寬。利用關(guān)系式BW3dB=BW/0.955就可以確定3dB帶寬是138.22MHz。為使最大功率傳遞到終端負(fù)載上,在文獻(xiàn)25-8-28中TABLE提供了濾波器的歸一化單端加載Q值和歸一化耦合系數(shù)(K)值。其值為q2,3,4,5,6,7=q1=q2=1.25k12=k78=0.727k23=k67=0.545k34=k56=0.56k45=0.510 式中: qi為歸一化單端加載Q值ki,j為歸一化耦合系數(shù)K值濾波器的實(shí)際耦合系數(shù)(K)可以由下式算出:K=Kn,m(BW3dB/f0)=0.1047Kn,m式中:Kn,m為實(shí)際耦合系數(shù)K值BW3dB為3dB通帶帶
5、寬f0為中心頻率由濾波器的k值和S/H的關(guān)系曲線(附錄二)可以得到S值,濾波器的內(nèi)阻抗可計(jì)算微帶線的最后是計(jì)算輸入和輸出抽頭的位置,有公式 式中:Qs為單端加載Q值q為歸一化單端加載Q值f0為中心頻率BW3dB為3dB通帶帶寬就能確定l/L。由于曲線設(shè)計(jì),有一點(diǎn)的誤差,實(shí)際制作的濾波器在頻率上有所偏移,但基本符合設(shè)計(jì)指標(biāo),在鏡像抑制上還是相當(dāng)不錯(cuò)的。三、MWOffice軟件對(duì)抽頭濾波器的仿真和優(yōu)化Microwave Office是AWR(Applied wave Research Inc)的一個(gè)專業(yè)微波設(shè)計(jì),仿真的軟件。這個(gè)軟件優(yōu)于以前的EESOF軟件,圖形化的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了,并且能對(duì)EESOF
6、中無(wú)法描敘的微波結(jié)構(gòu)進(jìn)行描敘,像微帶線之間的這種多級(jí)抽頭耦合在EESOF中是不好描敘的,但是在MWOffice中是很方便描敘的。下面以上述微帶抽頭線濾波器的設(shè)計(jì)為例,濾波器的技術(shù)要求是八節(jié),BW為10%,40dB以上的抑制。在Microwave Office中進(jìn)行設(shè)置、模擬和優(yōu)化。首先對(duì)計(jì)算頻率進(jìn)行設(shè)置,在打開(kāi)一個(gè)New Project后雙擊Project Frequency,設(shè)置開(kāi)始和終止頻率以及STEP如圖三所示:圖三、工作頻率的設(shè)置 然后就是建立微帶抽頭濾波器的模型,雖說(shuō)元件中有許多耦合微帶線的模型結(jié)構(gòu),但是由于抽頭的存在,我們不得不對(duì)濾波器進(jìn)行分解,首先新建一個(gè)模型(New Schem
7、atic),然后在元件(Elem)的微帶中選擇你自己需要的元件,如圖四所示:圖四、濾波器的模型建立好模型以后還要對(duì)每個(gè)元件進(jìn)行設(shè)置,其中有些有必要利用公式的可以建立方程,例如那些可供優(yōu)化的量和聯(lián)接的值。如圖五所示:圖五元件參數(shù)設(shè)置模型建立完成后,我們需要建立圖表和優(yōu)化目標(biāo),在Add Graph后對(duì)圖表的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,數(shù)據(jù)源的名稱選擇你的濾波器的模型名稱,如圖六所示圖六、圖表參數(shù)的設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)無(wú)非就是對(duì)其提出種種限制,當(dāng)然這些限制要是合適,對(duì)優(yōu)化的結(jié)果有很大的影響。因此我們?cè)趦?yōu)化結(jié)果不滿意時(shí),除了檢查模型等問(wèn)題,還要看看優(yōu)化目標(biāo)是否需要修改。圖七、設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)一切完成后,我們就可以分析、模擬仿真
8、。我們給的初值結(jié)果不夠滿意,就要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),如下面所示:圖八。優(yōu)化過(guò)程優(yōu)化完成后,就可以得到最佳曲線,也就是自己要求的條件,同時(shí)還要對(duì)可變量進(jìn)行取整,這就需要調(diào)諧(Tune),調(diào)諧的過(guò)程中圖形隨之變化,找到最佳曲線。如圖九所示 圖九、調(diào)諧取整整個(gè)仿真、優(yōu)化過(guò)程基本如上,由于微帶耦合抽頭濾波器的設(shè)計(jì)有其局限性,一直是以查表的形式設(shè)計(jì),準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)抽頭線濾波器并不容易,運(yùn)用這個(gè)軟件設(shè)計(jì)的濾波器還是相當(dāng)方便、可靠的。四、設(shè)計(jì)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在這種濾波器的設(shè)計(jì)中,一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是濾波器中的所有的諧振器都可以做成等線寬的,而只把間距比S/H作為唯一變量。在氧化鋁陶瓷基片上帶線的寬度是根據(jù)濾波器阻抗為58歐
9、姆來(lái)確定的,在Duroid基片上濾波器的阻抗則取為70歐姆,同時(shí)運(yùn)用MicrowaveOffice優(yōu)化設(shè)計(jì)濾波器,在軟件的幫助下能起到事半功倍的效果,實(shí)際制作濾波器是在一塊30×30mm2的復(fù)合介質(zhì)基片上,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)試,實(shí)際得到的比優(yōu)化的結(jié)果還要好,以下是測(cè)試結(jié)果,由測(cè)試結(jié)果可以看到,其帶外抑制特別好,可以達(dá)到55dB以上。而且基本滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),完全滿足實(shí)際工程需要。 圖十、處理后的測(cè)試結(jié)果 五、結(jié)論微帶抽頭線濾波器設(shè)計(jì)與常規(guī)微帶濾波器相比就中等帶寬而言抽頭線濾波器在結(jié)構(gòu)上仍然很容易實(shí)現(xiàn),而常規(guī)微帶濾波器則一達(dá)到結(jié)構(gòu)極限范圍。而在軟件的幫助下,使得其設(shè)計(jì)更加方便,容易,還有一定的精確性,去除了查表的麻煩和不準(zhǔn)確性。2001年3月8日參考文獻(xiàn):1. 微帶抽頭線濾波器的設(shè)計(jì)吳世杰譯自IEEE trans,Microwave Theory Tech.Vol MTT-27 P.44 Nol 1979年2. International Telephone and Telegraph corp. Reference data for Radio Engineers 6th ed Howard W Sums Co Inc3. M .Dishal, ”A simple design procedure for small percentage bend
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