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1、一设计选题 选题：平面带通滤波器设计与测量 微带基片选择：RO5880 板材厚度：0.254mm 指标要求： 通带范围 12.25GHz-12.75GHz（中心频率 12.5GHz 相对带宽 4%） 带内插损 IL 小于 4dB 带内反射系数 RL 大于 10dB 边带抑制： 13GHz 以上至少抑制 15dB 14-16 GHz 抑制 30dB 以上 12GHz 以下至少抑制 15dB 11GHz 以下至少抑制 40dB 8-10GHz 以下至少抑制 50dB 在上述指标要求达成的前提下，过渡带宽越窄越好；归一化滤 波器的面积越小越好。 二基本原理 2.1 滤波器设计方案的选取 本次设计的主
2、要评分指标之一为滤波器的选择性，为了实现高选 择性的带通滤波器，本文利用源-负载耦合，交叉耦合，以及混合电 磁耦合等方式在带外适当位置引入传输零点，从而大大改善了带通 滤波器的矩形度。该设计思路优势在于可以方便地调节传输零点的 位置，从而改善带通滤波器的矩形度。但是随着滤波器的矩形度不断提高，对于滤波器通带外的抑制也随之恶化，故设计中需要考虑 在满足带外抑制要求的前提下尽量使滤波器获得较好的矩形度。另 外，滤波器的阶数也会对滤波器的矩形度产生巨大影响。随着滤波 器阶数的提高，滤波器的矩形度逐渐改善。但与此同时，滤波器的 带内插损也逐渐恶化。故在滤波器的设计过程中需要权衡矩形度与 带内插损两个指
3、标要求，选择合适的滤波器阶数。 除此之外本次滤波器的设计还需考虑到介质基板板材与厚度的 选取对于滤波器性能参数的影响。首先考虑到要求插损越高越好， 故选取了损耗正切较小的板材 RO5880，其损耗正切为 0.0009，介电 常数为 2.2。板材厚度的选取主要是考虑到了其对于滤波器尺寸以及 插损的影响。较薄的介质板可以使滤波器的尺寸进一步减小，但是 与此同时，滤波器的插损也会变差。权衡考虑滤波器的尺寸以及插 损的要求，本文选取介质基板厚度为 0.254mm。 最终，本文采用六阶交叉耦合谐振腔体滤波器设计方案，其基 本谐振单元的结构为如图 2.1 所示的半波长开环谐振器。整个滤波 器的耦合拓补结构
4、见图 2.2。最终设计得到的滤波器结构如图 2.3 所 示。图 2.1 基本谐振单元 图 2.2 滤波器耦合拓补结构 图 2.3 滤波器整体结构 2.2 滤波器的设计步骤 本文的耦合谐振带通滤波器是基于外部品质因数和耦合系数进 行设计的。而外部品质因数和耦合系数与所要涉及的滤波器的指标 之间有如下关系： 式中 FBW 为滤波器的相对带宽，本文所涉及的滤波器要求 FBW=4%。,n 为滤波器的阶数，g i 为低通滤波器原型的元件值。根据滤波器的综合理论，通过综合给定的滤波器各项指标要求， 再结合上式可以得到与该设计指标相对应的耦合矩阵以及源和负载 的外部品质因数。根据题目要求运用 MATLAB
5、程序所综合出的耦合 矩阵如下： 理想的S参数如下 3.1 理想S参数曲线 注意此处计算耦合矩阵时为了考虑边带附近衰减而将通带范围 设为12.2GHz-12.8GHz，相对带宽为4.8%。关于该耦合矩阵，除第二行第一列与第一行第二列的两个元素 表征源端的品质因数，第八行第七列与第七行第八列的两个元素表 征负载端外部品质因数外，该矩阵的其他矩阵元素 Sm,n表示的是 第 m-1 与第 n-1 个谐振器之间的耦合系数。 此外，外部品质因数的计算公式如下： = 2 0 ( 0 ) 4 其中 f 0 表示中心频率，而 d （f 0 ）表示 S11 的群时延峰值处 的大小。本文计算得到的外部品质因数为 2
6、0.83。 三滤波器物理尺寸的提取 3.1 谐振器之间的耦合系数提取 从上文给出的滤波器结构中可以发现，谐振器之间存在着多种 耦合方式。如谐振器 2 与 5 之间的耦合方式为电耦合；谐振器 3 与 4 之间的耦合方式为磁耦合；而其他谐振器之间则表现为电磁混合 耦合。对于两个相互耦合的谐振器，由于它们之间的距离不同将会 得到不同的耦合系数。谐振器之间的耦合系数关于距离的曲线可以 通过 HFSS 软件的全波仿真并结合如下公式来提取。 其中 f u 与 f l 分别表示谐振器的上下谐振频率。根据上文得到的耦合矩阵再结合 HFSS 电磁仿真软件仿真得到的耦合系数关于距离的 曲线就可以很方便地确定两个谐
7、振器之间的距离。 根据以上方法得到的耦合系数与谐振器间距的关系曲线如下图： 图 3.2 谐振器 1，2 之间的耦合 图 3.3 谐振器 2，3 之间的耦合图 3.4 谐振器 3，4 之间的耦合 图 3.5 谐振器 2，5 之间的耦合 由前面的耦合矩阵可知，当 1,2 谐振器之间距离约为 0.315mm； 2,3 谐振器之间距离约为 0.5mm；3,4 谐振器之间距离约 为 0.61mm 时就能得到满足要求的耦合系数。 由前面的耦合矩阵可知谐振器 2 与 5 之间需要达到的耦合系数 为-0.0042。图中不好看出其对应的距离，因此该参数通过后期优化 来使其达到最佳。3.2 外部品质因数的提取 由
8、于调节馈电点的位置可以获得不同的外部品质因数。故而计 算出外部品质因数就可以对应地得到馈电点的位置。运用 HFSS 仿真 得到的滤波器外部品质因数与馈电点位置之间的关系曲线如下图所 示： 图 3.6 外部品质因数 由前面计算的外部品质因数可得此处对应的馈电点位置约为 0.79mm。 3.3 总结 通过以上两步已经提取得到了滤波器的基本结构的物理参数。 但是由于所运用的设计方法的系统误差以及考虑到实物的加工精度 问题导致的误差，需要对初提取的参数进行优化。最终得到的参数 见下表 3.1。表 3.1 优化后的参数设置 四 HFSS 模型及仿真结果 本次设计所使用的介质基板板材为 RO5880，基板
9、厚度为 0.254mm。表面敷铜厚度为 0.018mm 以仿真设计实物的导体损耗。 其他参数见表 3.1。最终设计得到的 HFSS 模型如下图： 图 4.1 交叉耦合微带滤波器 HFSS 模型 对该模型进行仿真得到的结果如下：图 4.2 滤波器的 S 参数 图 4.3 S 参数的宽频特性曲线图 4.4 滤波器群时延特性曲 从图 4.2 中观察得到的仿真结果与课题要求对比结果见表 4.1： 指标 设计要求 仿真结果 达标情况 通带范围 12.25GHz-12.75GHz 12.25GHz-12.75GHz 带内插损 10dB 14.3dB 优于指标 13GHz 以 上边带抑制 15dB 34.9
10、dB 优于指标 14-16GHz 边带抑制 30dB 65.2dB 优于指标 12GHz 以 下边带抑制 15dB 32.3dB 优于指标 11GHz 以 下边带抑制 40dB 60.68dB 优于指标 8-10GHz 边 带抑制 50dB 60.68dB 优于指标 表 4.1 设计结果达标情况从图 4.3 中可以发现寄申通带位于 25GHz 左右，能够达到实际 使用中原理通带的要求，另外仿真结果还显示对于寄申通带的抑制 均在 28dB 以下。由于本次设计采用半波长谐振器，故寄申通带出现 在二倍频处，且能够得到有效抑制。由于引入了传输零点，故群时 延形曲线的对应频率出出现了尖峰。 接下来，为了使仿真得到的结果与实测的结果尽可能的接近，接下 来给所设计的滤波器外加适当的结构件进行仿真。设计模型如下： 图4.5 加结构件共同仿真模型图 仿真后得到的结果如下所示：图4.6 加结构件共同仿真的S参数 可以看到，在 19GHz 处出现了谐振，可能是由于结构件的谐振 所造成的。可以考虑通过在结构件的顶部附加吸波材料来解决这一 问题。我们通过将结构件的上表面设置成辐射边界条件来模拟附加 吸波材料的情况，得到的结果如下： 图4.7 结构件顶部设为辐射边界后的S参数从结果图可以看出，在结构件顶部增加吸波材料后，19GHz 处 的尖峰被有效的消除了。 图 4.8 六阶开环滤波器 PCB 版图
