24GHz平行耦合带状线带通滤波器的设计

摘要 从低通滤波器出发介绍了平行耦合带状线带通滤波器的工作原理，给出了清晰的设计步骤。根据滤波器的技术指标，确定滤波器的类型、阶数。利用HFSS(高频结构仿真器)分别对滤波器的频率特性和盲孔互连结构的衰减特性进行了仿真。实测结果表明，设计的滤波器满足技术指标要求。

关键词：平行耦合带状线；带通滤波器；HFSS

引言

通信系统通常具有一定的选频特性，这种功能主要由滤波器来完成。在微波频段，对滤波器的体积、性能、成本提出了更高的要求。平行耦合带状线滤波器因其结构简单、具体实现的结构灵活、适应的频带范围也比较大、电磁隔离较好、成本低等优点十分适合工作于高频段。

采用近似方法，经过频率变换到低通原型滤波器，得到各段耦合线的物理尺寸。由于实际带状线的各种参数随着频率的变化而变化以及开路传输线终端的寄生效应，使得滤波器的通带边缘频率响应与理论值有差异，中心频率也有偏移。本文设计的滤波器相对带宽中等，主要面临的问题是频率偏移问题。利用HFSS软件对滤波器进行了仿真、优化。实验制作的样品性能符合设计要求。

1　归一化低通滤波器的设计方法

微波滤波器的设计方法主要有镜像参量法和插入损耗法。插入损耗法用一种系统的方法去综合所要求的响应，可以灵活调整整个通带和阻带的幅度和相位特性。

在利用插入损耗法设计各种滤波器时,一般从归一化低通滤波器出发,通过函数关系变换为高通、带通或带阻滤波器。例如：将一阶低通滤波器中的电感换成电容,电容换成电感,可得到一阶高通滤波器。但是,在低通滤波器和带通滤波器之间的变换比较复杂。带通滤波器的实际频率与归一化低通滤波器的归一化频率的变换公式^[1]为:

式中:Ω为归一化频率;ω为实际频率;ω_U,ω_L分别为带通的上边频和下边频，ω₀为中心频率。

由于本文的设计目标是使得滤波器的通带内等波纹、通带外锐截止，所以应用切比雪夫响应设计滤波器。利用切比雪夫多项式设定N阶低通滤波器的插入损耗公式为式^[2]：

其中，1+a²为通带波纹的高度。

对于归一化的低通滤波器,它具有各种等级的归一化参数,在设计时可以根据设计要求的衰减量和通带波纹通过查找图表(见图1)来选择相应的阶数, 从而从参数表中选择标准的归一化参数,完成归一化低通滤波器参数的设计。

2 平行耦合带状线带通滤波器的工作原理

当两个无屏蔽的传输线紧靠一起时,由于传输线之间电磁场的相互作用,在传输线之间会有功率耦合,这种传输线称之为耦合传输线。根据传输线理论,每条单独的带状线都等价为小段串联电感和小段并联电容。每条带状线的特性阻抗为Z0 ,相互耦合的部分长度为L, 带状线的宽度为W ,带状线之间的距离为S,偶模特性阻抗为Z_e ,奇模特性阻抗为Z₀。单个带状线单元虽然具有滤波特性,但其不能提供陡峭的通带到阻带的过渡。如果将多个单元级联, 并应用平行耦合带状线作为阻抗倒置转换器，级联后的网络等效为相间的串联和并联谐振元件网络，可以具有良好的滤波特性。平行耦合的带状线带通滤波器结构如图2所示。

3 平行耦合带状线带通滤波器的设计

3.1 滤波器设计目标

本文需要设计的带通滤波器的指标：中心频率为24.35GHz,3dB带宽大于为1.65GHz,并且希望通带内波纹小于1dB。输入输出阻抗为50Ω。带外23GHZ和26GHz频率处，抑制度大于16dB。

3.2 滤波器参数的求解

上述指标经过频率变换后成为低通原型，对照图1，选择滤波器的阶数为5阶。查找相应的低通原型参量表^[1]求出归一化低通原型参量g_i , 其中i=0…6。

求出耦合线阻抗之后，利用ADS软件中的传输线计算工具LineCalc计算出每节耦合线的长度、宽度以及间隙等尺寸。

3.3 滤波器的仿真

利用HFSS软件导入滤波器的版图，建模如图3,进行三维仿真。通过多步优化方法^[3]首先设计出中心频率准确的滤波器，然后适当优化耦合线尺寸，以达到设计目标。该滤波器利用的是Taconic公司的低损耗介质材料RF-35。

必须注意的是，理论公式给出的初步尺寸可能会出现线距很小的情况，不利于制作，所以需要调整到工艺条件能够实现的尺寸进行仿真。

滤波器的仿真结果如图4。

由图4可见，中心频率为24.35GHz,3分贝带宽1.68GHz,带内插入损耗为3.92dB,带外23GHz和26GHz衰减抑制大于17dB。基本满足设计指标。

因为在微波电路中，滤波器的输入输出都与微波器件的信号端口相连接，该滤波器必须通过盲孔垂直连接到印制板顶层。所以，需要对盲孔单独设计、仿真。图5为盲孔垂直互连的模型。

盲孔设计主要考虑到它对有用信号的传输衰减要小。所有，这里针对盲孔的孔径以及孔盘进行了优化设计。仿真结果如图6。

由图6可见，盲孔垂直互连的传输衰减小于0.4dB。由于滤波器输入输出两个端口都需要盲孔垂直互连，所以滤波器的理论插入损耗要增加0.8dB,达到4.72dB。

4 滤波器的制作与测试

该滤波器的加工选用介质材料为Taconic的RF-35。其介电常数为3.5，铜箔厚度为18um。带状线电路的加工需要层压工艺，1mm总板厚，由0.508mm和0.254mm介质厚度的芯板通过两层半固化片层压而成。加工工艺需要对线宽、线距、盲孔的孔铜质量多加注意。

滤波器的频率较高，选用的连接器为J.2.92-KFD5。利用矢量网络分析仪测得滤波器的插入损耗特性如图7。

由图7可见，滤波器的测试结果为中心频率为24.4GHz,最小插入损耗为6.26dB,3分贝带宽约为1.8GHz,带外23GH和26GHz衰减抑制接近17dB。插入损耗的大于仿真结果的原因有：连接器损耗、电路加工的误差。滤波器的测试结果满足设计要求。

5 结束语

本文从低通滤波器的原理出发介绍了平行耦合带状线带通滤波器的工作原理以及设计方法，利用HFSS对滤波器的进行了优化仿真。仿真需要注意的是，设计的图形尺寸要符合工艺实现的要求。结果表明，HFSS能够提高效率，降低成本。

参考文献：

[1] 张肇仪，周乐柱，吴德明等译.微波工程.电子工业出版社，2006.

[2] LUDWINGER. RF circuit design: theory and application [M].Upper Saddle River, NJ, USA: Prentice Hall, 2000.

[3] 甘后乐，楼东武. 平行耦合微带线带通滤波器的多步法优化设计.微波学报，2005，21(6)：33-35.