文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173315
中文引用格式: 柴曉榮,,雷雪梅,,程少庭. 應用于混合頻率綜合器的耦合微帶線帶通濾波器[J].電子技術(shù)應用,2018,,44(4):104-107,,112.
英文引用格式: Chai Xiaorong,Lei Xuemei,,Cheng Shaoting. Coupling microstrip line bandpass filter applied to hybrid frequency synthesizers[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(4):104-107,,112.
0 引言
濾波器廣泛用于通信鏈路、信號處理和電子線路中,,一般作為電子系統(tǒng)的末級,,用來濾出所需頻率,抑制無關(guān)頻率[1-5],。而在頻率綜合器中,,濾波器可以應用于頻率綜合器DDS輸出、PLL輸出和環(huán)內(nèi)濾波以及頻率綜合器的輸出級等,,抑制無關(guān)頻率成分,,提高輸出頻率性能[6]。
常用的微波段濾波器形式有聲表面濾波器,、微帶線濾波器,、同軸腔體濾波器、波導濾波器等,,而微帶線濾波器可以減少電路的復雜性,,并且可以減少無源器件的使用[7]。微帶線濾波器的帶寬可以做到中心頻率的20%,,而且線線之間弱耦合,,帶寬可以設(shè)計得很窄[1,8],。平行耦合微帶線是比較常見的形式,,其他形式有各自的優(yōu)缺點,比如設(shè)計復雜,、制作困難等[8],。
1 頻率綜合器介紹
PLL+DDS環(huán)外混頻混合頻率綜合器是利用PLL和DDS的輸出信號直接混頻后經(jīng)帶通濾波器得到所需頻率,系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)DDS的輸出頻率來調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出頻率,,故其輸出頻率分辨率由DDS決定,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示,其輸出頻率為:
在此結(jié)構(gòu)中,,帶通濾波器作為最后一級,,直接決定輸出信號的頻率、頻率范圍和雜散,、諧波抑制性能,。此設(shè)計的頻率綜合器的輸出中心頻率為2 350 MHz;頻率范圍為2 340 MHz~2 360 MHz,;雜散≤-30 dBc(±50 MHz內(nèi)),;諧波<-50 dBc的頻率綜合器中,要求帶通濾波器的帶寬在20 MHz以上,,但從抑制雜散的角度考慮,,通帶也應設(shè)計得很窄,,便于濾除混頻后的雜散分量和諧波。
此混合頻率綜合器中,,混頻不僅將DDS輸出的頻譜進行搬移,,而且還會產(chǎn)生新的雜散頻率?;祛l后輸出2 345 MHz時的頻譜分布如圖2所示,,從圖中可以看出,混頻后的頻譜分布復雜,,故系統(tǒng)需要帶內(nèi)衰減小,、過渡帶陡峭的輸出帶通濾波器來濾除雜散分量。此系統(tǒng)設(shè)計輸出信號的中心頻率為2 350 MHz,,頻率變化范圍為20 MHz,,由于系統(tǒng)的雜散抑制度要求大于30 dB,且應有效抑制載波(2 225 MHz,,功率為-13 dBm),,故濾波器帶外抑制大于40 dB;為使輸出頻譜附近受雜散影響小,,要求在離中心頻率65 MHz的兩邊濾波器帶外衰減大于30 dB,,即可抑制載波和輸出頻率附近較大功率的雜散。所需帶通濾波器指標如圖3所示,。
2 基本原理
從集總帶通濾波器到微帶線帶通濾波器的轉(zhuǎn)換過程中,,不能直接等效為微帶線形式,由于串聯(lián)諧振器無法直接等效,,故需利用阻納逆變器(包含阻抗逆變器和導納逆變器),,如式(2)所示,將串聯(lián)諧振器轉(zhuǎn)化為并聯(lián)諧振器,,進而實現(xiàn)微帶線帶通濾波器[1,,9]。
平行微帶線耦合帶通濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示,,該種濾波器的基本諧振單元是λ/4長的耦合微帶線組,,如圖5所示[5]。當兩條微帶線彼此接近時,,存在同相激勵(偶模激勵)和反相激勵(奇模激勵),,通過選擇合適的線與線間的耦合量以及這些微帶線的特征阻抗,利用兩個或更多的諧振系統(tǒng)耦合時產(chǎn)生的模分裂(奇模和偶模),,來實現(xiàn)具體的響應[1,10-11],。耦合微帶線可以等效為兩條λ/4長傳輸線和一個導納逆變器,,如圖6所示[5],。為了使這些耦合單元級聯(lián)成多級濾波器,各個單元的兩個端口需與相鄰單元的端口阻抗相匹配,,即求解鏡像阻抗(image impedance),,其計算如下[5,10-11],。
從式(3)中可以看出,,其輸入阻抗具有帶通濾波器。平行微帶線耦合濾波器中的每一段耦合單元都相當于一個1/4中心頻率工作波長的諧振器,,而耦合的平行間隙相當于導納逆變器,,微帶線耦合間隙在諧振線邊緣可實現(xiàn)寬帶耦合[2-3,11],。
設(shè)計平行微帶線耦合帶通濾波器的步驟為[1-2,,6,10]:
(1)根據(jù)所需濾波器的阻帶抑制和波紋指標,,選擇濾波器的響應類型和階數(shù),,從濾波器設(shè)計表中查找出對應低通原型器件的歸一化參數(shù)g0,g1,,g2,,…,gN-1,,gN,。
(2)根據(jù)所設(shè)計帶通濾波器的下邊頻ωL、上邊頻ωU和中心頻率ω0=(ωL+ωU)/2,,可計算出濾波器歸一化帶寬BW=(ωU-ωL)/ω0,。根據(jù)歸一化帶寬BW,計算以下參數(shù),,如式(4)所示,。
其中,下標i,、i+1表示圖4中所示的耦合微帶線單元,。Z0是耦合微帶線帶通濾波器輸入和輸出端口的微帶線特性阻抗(一般為50 Ω)。
(3)根據(jù)計算的特性阻抗,,將每組耦合單元的奇模特性阻抗和偶模特性阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)閷詈衔Ь€的間距,、長度和寬度等物理尺寸。工程中可使用ADS的LineCalc工具計算,。轉(zhuǎn)換中需要設(shè)計板材的介電常數(shù),、正切損耗、厚度等板材信息。每段耦合微帶線的長度必須是中心頻率工作波長λ的1/4,。
(4)對微帶線耦合帶通濾波器進行初步設(shè)計后,,還需通過設(shè)計仿真軟件(如ADS)進一步優(yōu)化設(shè)計,防止微帶線邊緣效應等因素的影響,。
3 微帶線帶通濾波器設(shè)計
微帶線濾波器設(shè)計中,,所選板材的介電常數(shù)?著r和正切損耗對微帶線的特性和尺寸有很大關(guān)系。對于本文中的平行微帶線耦合帶通濾波器,,板材介電常數(shù)減小,,帶通濾波器(在不改變微帶線尺寸的條件下)的中心頻率會偏大,回波損耗會減小,。正切損耗越小,,帶通濾波器的插入損耗會減小。板厚增大,,濾波器的帶內(nèi)損耗會小,。為滿足本次設(shè)計要求,板材應介電常數(shù)小,,以便于可以工作在較高的頻率,;正切損耗小,以減少帶內(nèi)損耗,。故選取板材羅杰斯RO4003C,,仿真設(shè)置的板材參數(shù)為:介電常數(shù)為3.65,正切損耗為0.002 1,,銅厚35 μm,,板厚1.524 mm[1]。
所設(shè)計微帶線帶通濾波器中心頻率定為2 350 MHz,,帶寬為60 MHz,,且過渡帶衰減大,故選取低通原型為0.5 dB紋波的五階切比雪夫(第一類)濾波器[2],。其歸一化參數(shù)為g0=1,,g1=1.670 3,g2=1.192 6,,g3=2.366 1,,g4=0.841 9,g5=1.984 1,。根據(jù)設(shè)計目標的中心頻率,、上下邊頻和帶寬可計算出歸一化帶寬BW=(2 380-2 320)/2 350=0.025 5,根據(jù)式(4)計算相關(guān)參數(shù)Ji,,i+1,,利用式(5)和式(6)計算奇模和偶模的特性阻抗,,算值如表1所示。最后利用LineCalc工具計算得到微帶線的物理尺寸,,最后將得到的微帶線尺寸輸入到ADS仿真原理圖中,,進行S參數(shù)仿真,,并利用ADS對其進行設(shè)計優(yōu)化,,微帶線優(yōu)化后的尺寸如表2所示。
經(jīng)過優(yōu)化后,,濾波器最終采用五階平行微帶線耦合的形式,,根據(jù)仿真所得的尺寸進行PCB設(shè)計,所得PCB圖和對應的PCB板實物如圖7所示,。
對所設(shè)計的濾波器進行S參數(shù)仿真,,仿真結(jié)果為:中心頻率為2 350 MHz,帶內(nèi)衰減4.7 dB,,帶寬40 MHz,,在2 285 MHz處衰減31 dB,在2 225 MHz處衰減58 dB,,滿足設(shè)計指標要求,。仿真所得S參數(shù)如圖8所示。
4 微帶濾波器的測試
利用矢量網(wǎng)絡分析儀(安捷倫E5062A)對所設(shè)計的濾波器實物進行參數(shù)測量,,測量結(jié)果如圖9所示,。該帶通濾波器的中心頻率為2 354 MHz,帶寬為50 MHz,,帶內(nèi)最大損耗為-5.0 dB,,帶外在2 225 MHz處損耗為-47.7 dB,在2 285 MHz損耗為-29.0 dB,,有載品質(zhì)因素QLD為47.15,,具有很陡的過渡帶。
將微帶線帶通濾波器接入到混合頻率綜合器中,,頻率綜合器輸出頻譜如圖10所示(輸出2 345 MHz),。可以看出,,帶通濾波器可濾除絕大部分的雜散分量,,但近端雜散分量無法完全濾除,但都將其抑制到33 dB以下,。因為這些雜散點隨著輸出頻率變化而變化,,雜散頻率處在帶通濾波器的過渡帶或者是通帶內(nèi)。
5 結(jié)論
從圖2和圖10的對比可以看出,,本文設(shè)計的帶通濾波器可以有效抑制PLL+DDS環(huán)外混頻混合頻率綜合器混頻后產(chǎn)生的雜散,。此結(jié)構(gòu)微帶線耦合帶通濾波器具有良好的窄帶特性,,適用于PLL+DDS環(huán)外混頻混合頻率綜合器中。
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作者信息:
柴曉榮,雷雪梅,,程少庭
(內(nèi)蒙古大學 電子信息工程學院,,內(nèi)蒙古 呼和浩特010021)