設(shè)計一個具有高的鏡像抑制特性的平面濾波器

高抑制濾波器在接收器和其他系統(tǒng)中往往是有益的，在那里必須去除掉無用信號鏡像而不對所要的信號產(chǎn)生干擾。通過以下的簡單辦法，使得設(shè)計平面濾波器用于更高的微波頻率成為可能。該技術(shù)依靠的是傳輸零點的定位，從而選擇性地抑制無用的鏡像。這一方法還提供了對雜散二次諧波信號的高抑制。為了說明這一技術(shù)，通過設(shè)計和制作一個小型Ku波段濾波器來加以闡述，該濾波器在計算機仿真和實測結(jié)果之間具有良好的一致性。

具有高抑制的濾波器在許多高頻系統(tǒng)中是非常重要的模塊組件，這些系統(tǒng)需要對無用的鏡像信號進行抑制?？梢酝ㄟ^采用交叉耦合結(jié)構(gòu)來制作高抑制濾波器，其中在不相鄰諧振器之間的交叉耦合產(chǎn)生了改善幅度衰減的傳輸零點。但是，采用這種方法來設(shè)計平面濾波器將需要四個諧振器，才能達到良好的衰減特性，由于有多個諧振器產(chǎn)生了高的插損。

通過設(shè)計傳統(tǒng)帶通濾波器來實現(xiàn)高鏡像抑制和低插損是可能的，例如叉指型、發(fā)夾型、終端耦合以及空腔配置等。例如，空腔濾波器提供了高抑制，但往往很笨重，難以與微波集成電路(MIC)進行集成。終端耦合和發(fā)夾型濾波器微波頻段最為常用，但往往還是很大，并且需要越來越多的諧振器。此外，這些帶通濾波器的類型表現(xiàn)出不良的二次諧波信號成分。本文所提出濾波器設(shè)計方法通過最小的耦合部件利用簡單的基于諧振器的緊湊結(jié)構(gòu)克服了上述問題。它對傳輸零點有很好的控制，從而達到理想的抑制水平。

通過控制傳輸零點的位置是有可能設(shè)計出經(jīng)濟而高效的帶通濾波器的。通常，這種結(jié)構(gòu)在較低頻率提供了低的衰減，但在某個截止頻率以上增加了衰減，在無限高頻率處具有零傳輸。為了對傳輸零點的工作有更好地理解，設(shè)想如圖1所示的五階低通濾波器。在無限高頻率處，每個電感成為開路，而每個電容器成為短路。圖1所示的濾波器在無限頻率處有五個傳輸零點。同樣，一個五階高通濾波器在無限低頻(直流)處有五個傳輸零點。要承認帶通濾波器傳輸零點的數(shù)量是有所不同的，這可以通過考慮如圖2所示的三階帶通濾波器來解釋說明。

在直流，串聯(lián)電感和并聯(lián)電容沒有影響。在直流，有三個傳輸零點。在頻率無限處，串聯(lián)電容和并聯(lián)電感消失，并且有三個傳輸零點。在帶通濾波器結(jié)構(gòu)中，在直流傳輸零點的數(shù)量決定了濾波器通帶以下的選擇性；在頻率無限處傳輸零點的數(shù)量決定了濾波器在通帶以上的選擇性。如果濾波器在直流和頻率無限處有相同數(shù)量的傳輸零點，其傳輸響應是不對稱的。在直流和頻率無限處設(shè)計具有相同數(shù)量傳輸零點的濾波器是沒有必要的；如果在通帶以上比通帶以下要求更多的衰減，那么可以設(shè)計通帶響應比無限頻率處有更多數(shù)目的傳輸零點。

除直流和無限頻率處，在其他頻率還可以引入傳輸零點，從而形成濾波器響應?？梢酝ㄟ^增加諧振器來實現(xiàn)這一點，無論在通帶以前或以后或是或通帶的兩側(cè)，這些諧振器在所需頻率處提供了傳輸零點。

為了說明平面濾波器設(shè)計方法的使用，將設(shè)計和制作一個濾波器的實例。設(shè)計目標是一個相對狹窄的帶通濾波器，其中心在14.5GHz處，在鏡像頻率具有超過40dB的抑制，例如在13.0和16.7GHz。該濾波器還表現(xiàn)出最小通帶插損。該簡單結(jié)構(gòu)主要是在其開口端處有兩個面對面的諧振器，如圖3所示。每個發(fā)夾型諧振器是中心頻率的半波長，并且利用不對稱饋電線進行抽頭。可以利用簡單公式對該抽頭的位置進行計算：

通過這種形式排列的兩個發(fā)夾型諧振器獲得了帶通濾波器的行為，這二者在結(jié)構(gòu)的開口端。該諧振器是由傳輸線長度的電感(L1和L2)和間隙電容(S)組成的。最小的耦合間隙(其確定了諧振器的電容)比傳統(tǒng)的耦合端或是發(fā)夾型濾波器結(jié)構(gòu)控制起來要容易得多。輸入和輸出的抽頭位置在所要求的頻率增加了傳輸零點，從而控制抑制。圖4表示了不同的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是作為實例濾波器以及不同結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果如圖5所示。

對結(jié)構(gòu)1和2進行仿真，并加以改變來適應抽頭點的位置，而采用增加諧振器之間間隙的寬度來對結(jié)構(gòu)3進行仿真。圖5的仿真表示了隨著輸入和輸出之間失調(diào)的增加，兩個傳輸零點看起來接近通帶，在通帶附近提供了高選擇性。然而，這可能導致過耦合條件。由抽頭位置所造成的，除耦合效應外，耦合間隙S還影響了兩個諧振器之間的耦合。從圖5的仿真，可以看到耦合間隙的增加導致了更好的品質(zhì)因數(shù)(Q)。因此，為避免過耦合條件，應慎重選擇抽頭位置和間隙大小。一旦確定了抽頭位置，對所要求的濾波器響應，耦合間隙(S)能得以優(yōu)化。

在氧化鋁陶瓷基板上制作原型濾波器，其具有介質(zhì)常數(shù)9.8和10mil的厚度。采用來自安捷倫科技公司的計算機輔助工程(CAE)工具的先進設(shè)計系統(tǒng)(ADS)套件平面電磁場(EM)仿真器Momentum來實現(xiàn)仿真。采用來自安捷倫科技公司的PNA系列網(wǎng)絡(luò)分析儀來測試所制作濾波器的特性。

測量結(jié)果(圖6)與仿真結(jié)果比較接近。原型濾波器通帶中于仿真相比多出的1dB插損可以用連接器和輻射損耗(不包括在仿真中)來解釋。測量結(jié)果表明在13.0和16.7GHz間所要求頻率上有超過45dB的優(yōu)良帶外抑制，并且在較低頻率有優(yōu)于30dB的抑制。濾波器的測量回波損耗要優(yōu)于20dB，具有低于10dB的二次諧波。

此處涉及的這一濾波器設(shè)計方法簡單地實現(xiàn)并提供了高抑制而沒有不良耦合。該設(shè)計技術(shù)非常適合于制造鏡像抑制濾波器，這些濾波器適用于那些在乘法器和其它器件中要求鏡像信號抑制的應用；該設(shè)計方法還提供了用于放大器和頻率源的優(yōu)良二次諧波抑制。該技術(shù)通過增加諧振器的數(shù)目實現(xiàn)了更高水平的抑制。

發(fā)布者：小宇