基于HFSS设计发夹形SIR带通滤波器.pdf

2 0 0 5 ， 全国 微波毫米波会议论文集 基于H F S S 设计发夹形 S I R 带通滤波器 毛睿杰唐小宏马海虹 ( 电子科技大学电子工程学院，成都 6 1 0 0 5 4 ) 摘要:发夹形 S I R带通滤波器以小体积、高选择性和远寄生通带为特点， 具有很强的工 程实用价值。 本文以一个L 波段发夹形S I R 带通滤波器为例，以相关理论为基础， 基于 H F S S 对该类滤波器的精确设计方法做了 研究，测试结果证明了设计方法的准确性。 关键词:发夹形S I R 带通滤波器 H F S S L 波段 1 .引言 在微波通信系统中， 结构紧凑和性能良 好的滤波器对系统指标的提高起着关键性的 作用。 发夹型S I R 带通滤波器即是一种常见的微带滤波器， 其以小体积、高选择性和远 寄生 通带为 特点， 在L 波段和S 波段得到了 广泛的 应用。 川然而， 这类滤波器的 传统设 计方法以实验为基础，耗时且不经济。本文基于有限元场分析软件 H F S S 对其精确设计 方法做了研究。 文章的第一部分介绍了由祸合谐振器构成的带通滤波器的通用设计方法， 对发夹形 S 工 R 谐振器、滤波器级间祸合系数和外部品质因数的设计和计算作了探讨;文章的第二 部分以一个L 波段发夹型S I R 带通滤波器为例， 对该类滤波器的设计方法做了 详细介绍， 测试结果证明了该设计方法的准确性。 这种方法亦适用于所有由祸合谐振器构成的带通 滤波器设计。 2 .设计原理 2 . 1 由 祸合谐振器构成的带通滤波器通用设计方法 发夹型S I R 带通滤波器及类似结构的滤波器一般由多个相同的谐振器级联而成。设 计 从 给定的 滤波 器 指 标出 发( 如中 心 频 率. o 、 相 对宽 度F B W , 带 外 抑制 等) ， 首 先 根 据 低 通 原 型 获 得 滤 波 器 的 设 计 参 数( 级 数” ， 低 通 元 件 值g 户， 然 后 基 于 选 用 的 谐 振 器 形 式计算滤波器的电参数和结构参数， 借助微波C A D 软件能对结果进行精确的分析和修正。 滤 波 器的 插 损L 。 由 单 个 谐振 器的 无 载品 质因 数Q 。 决 定， 两 者关 系 见 式( 1 ) 。 无 载 品 质因 数Q 。 取决 于 分 布元 件电 路的 几 何结 构。 L o _4 . 4 3 典 寸 鱼 F B W胃Q o ; ( 1 ) 1 2 0 9 2 0 0 5 ， 全国微波毫米波会议论文集 滤 波器的 外部品 质因 数( Q e ) 反映了 滤 波 器和 输 入、 输出电 路之间 的 阻 抗匹 配关 系， 其 表 达 式 为( Q e l 和Q e : 分 别 是 输 入 端 和 输出 端的 外 部Q 值， 当 输 入 输出 阻 抗 相 等 时， 有Q e l = Q , 2 ) : Q e l =9 0 9 1 F 一 召W ， Q e 2 = g n g n + l FBW ( 2 ) 滤 波 器 第j 级 和 第j -)- 1 级 谐 振 器 间 的 祸 合 系 数 气 ， ， + ， 和 基 本 设 计 参 数 之 间 有 如 下 关系: 尸召W ( 3 ) 十 .百苦 ·j， k g j g j + l 通过 上 面的 分析 可 知，由 藕 合谐 振 器 构 成的 滤 波 器 通 过综 合 考 虑f 0 Q 0 - Q 。 和 k 来完成， 根据这些参数与滤波器的物理结构之间的关系综合带通滤波器结构是可行的。 从 式( 2 ) 和 式( 3 ) 可以 看出 ，Q e 与F B W 成 反比 ，k 与F B W 成正比 ， 需 要合 理 选 择F B W 使 这两个指标处于能 够实现的范围内。 事实上， 发夹型S I R 带通滤波器的相对带宽不大于 5 % . 2 . 2 发夹型S I R 滤波器结构设计原理 发夹型S I R 滤波器的谐振器结构由一段被开路低阻祸合线加载的传输线构成， 与常 见的发夹形滤波器相比， 其尺寸在不减小品质因数的前提下显著减小， 适用的频率范围 较宽。 撇丁叫土 L t = 2 L t + L 2 ( a ) 图 1( a )发夹形S 工 R 谐振器;( b ) 网络模型; ( c )奇模模型;( d ) 偶模模型。 1 21 0 2 0 0 5 ' 全国微波毫米波会议论文集 图1 是 一个典型的发 夹形S I R 谐振器的 结构及其等效电 路。 2 1谐振器的 祸合线节 可 由 一 个 变比 为一 1 : 1 的 理 想 变 压 器 和 两 个 开 路 分 支 等 效 。 开 路 分 支1 的 特 性 阻 抗Z o c l 是 祸合 线 奇 模 特性阻 抗Z o 。 的 一半， 开 路分 支2 的 特性阻 抗Z 0 C : 是 祸 合 线 偶 模 特性阻 抗 Z o 。 的 一 半。 写出 祸 合线 节 在奇 模 激励时 等效电 路的 传输 矩阵， 根 据 场分 布的 特点， 可 以得到奇模式谐振的普适公式 ( 包括最低谐振模) : z o o c o t B o ( 4 ) - 只-2 an 同理，可以得到偶模式谐振的普适公式 ( 可用于确定寄生通带) : 2_ _ 于c o t 跳 Z ， ( 5 ) 滤 波器的 级间 祸 合系数通过谐振器对仿真获得， 1 3 ， 这一方法通过测定含 有两 个相同 的谐振器的电路传输响应的两个谐振峰确定祸合系数 k :( 设两个谐振峰的谐振频率为 儿 1 和 几 2 ， 且 几 2 .f o 几 ， ) k= 从 一 踢 难 + 踢 ( 6 ) 滤 波器的 外部品 质因 数可以 从输入/ 输出 谐振器的 频响得到， 【 ， 输入 / 输出 谐振器在 谐 振时 等 效 为 开 路，S 1 1 的 幅 度为1 ， 其 相 位随 频率 变化。 令 相 对中 心 频率 处的S i l 相位 有 士 9 0 。 的 相 移 时 对 应 的 谐 振 器 带 宽 为 叭9 0 0 ， 外 部 品 质 因 数 可 由 下 式 求 出 : Q e _叭 0 .) t 9 0 0 ( 7 ) 3 . L 波段发夹型S I R 带通滤波器设计与测试 根据前述设计原理， 对一个L 波段发夹型S I R 带通滤波器进行了设计。 要求滤波器 中心频率 1 . 2 G H z ， 相对带宽5 % ， 对 1 . 0 8 G H z 的信号有大于3 0 d B的抑制。 电路制作在C E R 一1 0 基片上， 相对介电常数9 . 5 ， 损耗角正切0 . 0 0 1 ， 厚度0 . 6 3 5 m m 。 选取带内波纹0 . 1 d B 的C h e b y s h e v 低通原型， 根据带外抑制指标， 查表得到所需级数n =3 ， 由式( 2 ) 和( 3 ) 算 得 滤 波 器的 外 部品 质因 数Q e l = Q e 2 = 2 0 . 6 3 ， 级 间 祸 合 系 数气 : 二 k 2 ,3 = 0 .0 4 6 0 . 从结构紧凑和把寄生通带向 频率高端推移的角度出发， 固定发夹形S I R 谐振器的电路参 数如下: Z t = 4 7 5 2( 城= 0 .7 m m )，Z o o = 1 8 5 2，Z o e = 2 4 5 2 ( 矶 二 2 . 5 m m , S , = 0 .2 m m ) ，氏= 7 3 0 ( L t = 2 0 .2 m m , L , = 7 . 5 m m ) ， 1 21 1 2 0 0 5 ， 全国 微波毫米波会议论文集 长可以对结果进行修正。 5 1 11 4 2 州 A 右，2 1 / Ma. 。 日 归 目 NE F a1- 15 侮.T h P 口d. 一 日州氏 7盛，d. 翻 - - -一 r 洲 王 F. 口 d . 全_ : 1 8 . 0 : 4 9 /- 2 . 8 9 3 1 a r 一1一了 身 _ 1 0 . 0 n o r- 1 6 . ! 1 2 d o 豁- 0 口 城阳书 气 “h 口 目 解0. 口 l ag M八 口 e _ : 10. 0 a x a eBas o M A F kE R 9. 210 4 2 水 M A F l白i - 4 粤 .154GHZ 又 ， ， 山 翻 r r . . . . . . 口 口 叫. S T口，1. 99 00 906 .0 0 1 4 a ， 了 幽 网 厅 a. 月 口. 口 . 切 . 口 日 翻 下 口 ，勺日 口 二 口 .念 ( a ) ( b ) 图1 0 ( a ) 近端响 应测试结果: ( b )远端响 应测试结果 4 . 结论 本文从祸合谐振器构成的带通滤波器原理出发，以一个 L 波段发夹型S I R 滤波器 为例，基于有限元场分析软件H F S S对其设计过程进行了详细的研究。测试结果表明这 种设计方法具有较高的准确性。 参考文献 【 ， 无线 通 信中 的 谐 振 器与 滤 波 器 ， 国 防 工 业出 版社， 2 0 0 2 . 2 S h e n g - Y u a n L e e a n d C h i h - M i n g , “ N e w C r o s s - C o u p le d F ilt e r D e s ig n U s i n g I m p r o v e d H a ir p i n R e s o n a t o r s “ , I E E E T r a n s . M ic r o w a v e T h e o ry T e c h . v o l .4 8 , N O. 1 2 , D e c e mb e r 2 0 0 0 . 3 M . S a g a w a , K .T a k a h a s h i a n d M . M a k im o t o , “ M i n ia t u r iz e d H a ir p in R e s o n a t o r F i lt e r s a n d T h e ir A p p lic a t io n t o R e c e iv e r F r o n t - E n d M I C 's “ , I E E E T r a n s . M i c r o w a v e T h e o ry T e c h . v o l . 3 7 , N O . 1 2 , D e c e mb e r 1 9 8 9 . 4 J ia - S h e n g H o n g a n d M .J . L a n c a s t e r ，“ M ic r o s t r i p F i lt e r s F o r R F / M ic r o w a v e A p p lic a t io n s “ , A Wile y - I n t e r s c ie n c e P u b l ic a t io n , 2 0 0 1 . 1 21 2