微帶抽頭線濾波器的設(shè)計(jì)翻譯

1、微帶抽頭線濾波器的設(shè)計(jì)JOSEPH S. WONG, MEMBER, IEEE摘要：這篇文章的主題是關(guān)于微帶抽頭線濾波器的一步一步的設(shè)計(jì)過(guò)程，并伴隨著一定的設(shè)計(jì)曲線。除了微帶線抽頭線交指濾波器，也介紹了一種新型的抽頭式的發(fā)夾型濾波器。計(jì)算發(fā)夾諧振器的無(wú)載品質(zhì)因素的方程通過(guò)抽頭的分析而得到。I 引言抽頭線濾波器已經(jīng)由幾個(gè)作者進(jìn)行了闡述1-3.兩種常用的類(lèi)型如圖1(a)和(b)所示。抽頭線濾波器與傳統(tǒng)的濾波器形式（其輸入/輸出端口部分首和尾部分都是平行耦合結(jié)構(gòu)）相比提供了空間和節(jié)約成本的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠涞谝徊糠趾妥詈笠徊糠直慌懦灰?。在終端部分的平行耦合結(jié)構(gòu)變的緊密和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變的不太符合實(shí)際的情況下表

2、現(xiàn)出的更好的優(yōu)勢(shì)。相同的濾波器的性能仍然可以通過(guò)抽頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。很可惜，準(zhǔn)確的抽頭線濾波器的設(shè)計(jì)不是那么簡(jiǎn)單并且已有的技術(shù)理論不能直接微帶線布局上。在目前已有的抽頭線設(shè)計(jì)中，盡管Dishal方法很近似，但是也不能直接運(yùn)用于設(shè)計(jì)。這篇文章的目的就是根Dishal的方法來(lái)獲得可以直接用于設(shè)計(jì)微帶抽頭線濾波器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在這篇文章中展示的僅限于交指線濾波器，如圖1(a)所示，和發(fā)夾形濾波器如圖2所示。計(jì)算由發(fā)夾型諧振器獲得的無(wú)載品質(zhì)因素的方程被推演出來(lái)。一步一步的濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)曲線，和樣品濾波器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在如下給出。II 微帶抽頭式交指濾波器設(shè)計(jì)在微帶抽頭式交指型濾波器的設(shè)計(jì)中，所需的參數(shù)需要

3、第一級(jí)和最后一級(jí)諧振器的單載品質(zhì)因素Q(Qs),其由抽頭獲得，以及相鄰諧振器的耦合系數(shù)(K).一旦知道單載品質(zhì)因素，圖1(a)的抽頭位置可以下式計(jì)算獲得： (1) 其中R激勵(lì)源阻抗，Z0為濾波器的內(nèi)阻抗。耦合系數(shù)可以由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，用過(guò)使用Dashal的程序 來(lái)確定無(wú)載品質(zhì)因素Q和相鄰的一對(duì)諧振器的耦合系數(shù)。這種方法如圖3所示，輸入端的激勵(lì)源通過(guò)電容松耦合到相同諧振器的開(kāi)路末端。當(dāng)諧振器2的兩端被短路，僅諧振器1就是一個(gè)單調(diào)諧電路。其相應(yīng)曲線如圖4(a)所示。無(wú)載品質(zhì)因素Q(Q0)被定義為： (a) 交指型 (b)梳妝新型圖1 抽頭式濾波器圖2 抽頭線發(fā)夾型濾波器 (2)其中為3-dB帶寬。如果

4、諧振器2是開(kāi)路，如圖3所示，一對(duì)諧振器成為了雙調(diào)諧電路。其響應(yīng)曲線由圖4(b)給出。一對(duì)諧振器的耦合系數(shù)由下式給出： (3)圖3 耦合系數(shù)的測(cè)量 (a) 單調(diào)諧電路響應(yīng) (b)雙調(diào)諧回路響應(yīng)圖4 電路響應(yīng)耦合系數(shù)(K)是由此實(shí)驗(yàn)確定，是基于微帶線的寬度(W1,W2)和諧振器之間的距離(S12)。在Dishal的方法中，每個(gè)諧振器的微帶線寬度可以選為相等并且距離的變化可以獲得不同的耦合系數(shù)。如圖5所示，對(duì)于所選的每一對(duì)諧振器，用的一個(gè)點(diǎn)可以獲得一個(gè)作為函數(shù)K(S/H,K)的一個(gè)點(diǎn)。因此，通過(guò)選擇每對(duì)諧振器間可實(shí)際實(shí)現(xiàn)的間隙的多對(duì)諧振器數(shù)目，可由實(shí)驗(yàn)獲得由S/H確定的關(guān)于K的函數(shù)。圖6的設(shè)計(jì)曲線是

5、通過(guò)這種方式在（#5880 Duroid, Rogers Corp）的介質(zhì)基板上確定的，其中W/H=1.8，即單根微帶線的阻抗大約為70（這種微帶線的阻抗選擇建立在一種已經(jīng)常用的70濾波器的內(nèi)阻抗）。根據(jù)此設(shè)計(jì)曲線，任何使用這種并且相同的條件下的濾波器，在圖6中描述的一定范圍內(nèi)的耦合系數(shù)都可以用來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。一個(gè)關(guān)于一步一步設(shè)計(jì)微帶交指線濾波器通過(guò)抽頭饋電的方式的特例在如下進(jìn)行闡述。圖5 多對(duì)諧振器確定不同的耦合系數(shù)圖 6 抽頭式交指型濾波器的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)曲線濾波器的指標(biāo)為8極點(diǎn)，帶內(nèi)切比雪夫波紋為0.1-dB，帶寬為25%，頻帶范圍為950到1225MHz。將要設(shè)計(jì)的濾波器在圖7中進(jìn)行了闡明。設(shè)計(jì)

6、此濾波器的第一步是確定其3-dB帶寬。因?yàn)橥◣捠?75MHz，中心頻率在1087.5MHz5,pp.8-12，根據(jù)第5條曲線利用關(guān)系式可得3-dB帶寬為288MHz。對(duì)于最大功率轉(zhuǎn)移終端，此濾波器的歸一化的單載品質(zhì)因素和歸一化的耦合系數(shù)()在5,Table VII,pp.8-28中給出。則其濾波器的實(shí)際耦合系數(shù)（Ks）可以由表達(dá)式1計(jì)算得出： (4)濾波器的實(shí)際尺寸（第一個(gè)濾波器）在表I中進(jìn)行了總結(jié)。最后一步計(jì)算輸入輸出抽頭的位置()。通過(guò)一起使用(1)和下列關(guān)系1： (5) 的值可以被確定。對(duì)于一個(gè)50- (50-) 源阻抗和70- (-)的濾波器內(nèi)阻抗，計(jì)算可得0.223，或者。也可以

7、通過(guò)圖8的圖表計(jì)算獲得，是1,Fig.2的拓展。圖7 8極點(diǎn)微帶抽頭線交指濾波器表一樣例濾波器尺寸 通過(guò)使用圖9的設(shè)計(jì)曲線，具有相同指標(biāo)的第二個(gè)濾波器（濾波器2）除了帶寬增加到32%外被設(shè)計(jì)在了厚度為1.270mm，99.5%的氧化鋁基板(=9.8)上。這個(gè)濾波器的尺寸可以由如下的相同的過(guò)程來(lái)確定，并在表I進(jìn)行了總結(jié)。對(duì)于此濾波器，相應(yīng)的阻抗值選為R=50和Z0=，抽頭的位置()由圖8計(jì)算可得0.280，或。在氧化鋁基板上Z0選為58代替濾波器設(shè)計(jì)中通常采用的70，這是因?yàn)?0的線寬在氧化鋁基板上變的相當(dāng)窄，這樣也就增加了損耗；因此，較低的阻抗線在出于損耗考慮更實(shí)用。圖8 抽頭式交指濾波器的單

8、載品質(zhì)因素 圖9 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)曲線（交指型）III 微帶抽頭式發(fā)夾型濾波器設(shè)計(jì)根據(jù)作者所知，抽頭式發(fā)夾型濾波器還沒(méi)有出現(xiàn)在任何文獻(xiàn)中。這種類(lèi)型的濾波器的設(shè)計(jì)與先前描述的抽頭式交指型濾波器相似。設(shè)計(jì)曲線可以用先前描述的相同方法來(lái)產(chǎn)生；一條典型的設(shè)計(jì)曲線在圖10中給出。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)在6和7中描述的傳統(tǒng)發(fā)夾形濾波器在終端耦合部分線變的很細(xì)，抽頭形式的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)變的更有實(shí)用性。因?yàn)榘l(fā)夾型諧振器的兩端均開(kāi)路并且其長(zhǎng)度均為半波長(zhǎng)，計(jì)算這種諧振器的單載品質(zhì)因素的由抽頭產(chǎn)生的方程與交指型諧振器得到的方程不同。自然，(1)在這種情況下就不在實(shí)用。發(fā)夾型諧振器的單載品質(zhì)因素的簡(jiǎn)單推導(dǎo)在接下來(lái)的段落中進(jìn)行闡述。一

9、個(gè)抽頭發(fā)夾型諧振器如圖11所示。假定諧振器的兩臂之間的耦合很小甚至可以忽略，則它的等效電路如圖12給出。在5,pp.24-14,15中，可以證明，在諧振頻率處，圖12在抽頭處的輸入導(dǎo)納為： (6)假設(shè)那么通過(guò)將(6)的實(shí)部進(jìn)行相等，其單載品質(zhì)因素Q可以得到并由下式定義： (7)或者為：通過(guò)比較(7)和(1)，注意到抽頭式交指諧振器的單載品質(zhì)因素與抽頭式發(fā)夾型諧振器只在因子上差2；為了簡(jiǎn)便，作為的函數(shù)曲線圖繪于圖13中。 圖10 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)曲線(發(fā)夾型) 圖11 抽頭式發(fā)夾型諧振器簡(jiǎn)圖圖12抽頭式發(fā)夾型諧振器的等效電路 圖13 抽頭式發(fā)夾型諧振器單載品質(zhì)因素 圖14 6極點(diǎn)抽頭式發(fā)夾線濾波器接下來(lái)

10、的設(shè)計(jì)實(shí)例是關(guān)于一個(gè)6極點(diǎn)的，0.1dB的切比雪夫響應(yīng)波紋抽頭式發(fā)夾線型濾波器（第三個(gè)濾波器）。通帶帶寬與第一例的濾波器相同，不同的是對(duì)于6極點(diǎn)的濾波器為0.922代替了0.955。該濾波器如圖14所示。對(duì)于6極點(diǎn)，波紋為0.1dB的濾波器的的歸一化的終端品質(zhì)因素和由文獻(xiàn)5,pp.8-27給出： 該濾波器的尺寸在厚為1.270mm的氧化鋁基板上可由圖10得到并將尺寸總結(jié)在表I中。對(duì)于R=50和,(為發(fā)夾型諧振器的單根微帶線阻抗)抽頭位置()計(jì)算可得0.364（圖13）或者。發(fā)夾諧振器的兩臂的距離定為1.106mm，耦合度大約為16dB。這部分耦合不包括在設(shè)計(jì)中。IV 設(shè)計(jì)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在目前

11、的試驗(yàn)濾波器設(shè)計(jì)中，一種優(yōu)勢(shì)就是能夠?qū)⑺械闹C振器的線寬都定為相等，函數(shù)只包括S/H比值一個(gè)變量。在氧化鋁基板上，線寬基于58的濾波器內(nèi)阻抗，在Duroid基板上，線寬基于70的濾波器內(nèi)阻抗。對(duì)于那些希望選擇其他阻抗來(lái)滿(mǎn)足特定指標(biāo)的設(shè)計(jì)者，產(chǎn)生相應(yīng)的設(shè)計(jì)曲線的技術(shù)已經(jīng)能夠得到。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)圖6,9,10中的設(shè)計(jì)曲線，作者已經(jīng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，測(cè)試并評(píng)估了不同種類(lèi)濾波器。在表I中所列的三種濾波器是在眾多設(shè)計(jì)的濾波器中最具代表性的。它們的結(jié)果在下文給出并進(jìn)行了分析。 濾波器1制作在長(zhǎng)為76.2mm,寬為58.42，厚度為1.575mm的Duroid5880的介質(zhì)基板上。濾波器2和濾波器3都制作在了長(zhǎng)為38

12、.10mm，寬為25.40mm，厚為1.27mm的含99.5%的氧化鋁介質(zhì)基板上。三個(gè)樣例濾波器的照片在圖15(a),(b),(c)分別給出。(a)濾波器1 (b)濾波器2 (c)濾波器3圖15 微帶抽頭線濾波器的代表 因?yàn)槌轭^線濾波器的設(shè)計(jì)是基于物理參數(shù)的選擇和在所關(guān)心的頻帶中所編輯的有限個(gè)點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，那么這些濾波器在初次測(cè)試過(guò)程中通常需要作一些調(diào)整。對(duì)于交指濾波器，調(diào)整可以分兩步進(jìn)行。1) 增加輸入輸出諧振器的長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度在設(shè)計(jì)中大約為在中心頻率處計(jì)算的四分之一波長(zhǎng)的10%。L波段通常所需增加的長(zhǎng)度大約為5%，另外的5%通常在調(diào)整的過(guò)程中剪掉了。輸入輸出諧振器增加的長(zhǎng)度用來(lái)補(bǔ)償實(shí)際中50

13、抽頭加載的影響。而且，還有兩個(gè)目的：為了獲得在諧振頻率處的準(zhǔn)確長(zhǎng)度和并通過(guò)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確獲得抽頭位置。在初次測(cè)試的過(guò)程中，逐漸修正輸入輸出端諧振器的開(kāi)路端的長(zhǎng)度知道輸入輸出駐波比在整個(gè)通帶內(nèi)達(dá)到最優(yōu)的可實(shí)現(xiàn)的等波紋性能。2) 通過(guò)在輸入輸出端50的傳輸線上添加一段小的可調(diào)的開(kāi)路短接線來(lái)將最小化輸入輸出駐波比。這樣，可以得到最好的整體濾波器性能。先前描述的逐步調(diào)整已經(jīng)很為很充分，其諧振器之間的間距調(diào)整也就不必要了；因此，濾波器內(nèi)部的諧振器不必在作任何調(diào)整。對(duì)于發(fā)夾線型濾波器，輸入輸出諧振器不需要加載長(zhǎng)度；然而，通過(guò)估計(jì)諧振器兩臂之間的間隙距離的計(jì)算值，抽頭位置()必須增加。在彎曲處的初次調(diào)整是用一小塊

14、錫箔以小步進(jìn)長(zhǎng)度減小“U”型結(jié)構(gòu)的間距知道通帶內(nèi)得到等波紋駐波比。接下來(lái)，根據(jù)在交指濾波器中描述的第2步的過(guò)程來(lái)最小化駐波比。在生產(chǎn)交指型和發(fā)夾型濾波器過(guò)程中，對(duì)原型濾波器的調(diào)整也許可以歸入成品，作為設(shè)計(jì)的一部分。在三個(gè)樣例濾波器被調(diào)整之后，通帶和駐波比響應(yīng)在圖16-18中得到。通過(guò)比較，這三個(gè)微帶濾波器的結(jié)果比由Milligan8敘述的濾波器要好的多。(a)通帶響應(yīng)(a) 駐波比響應(yīng)圖16 濾波器1響應(yīng)(a)通帶響應(yīng)(b)駐波比響應(yīng)圖17 濾波器2相應(yīng)曲線(a)通帶響應(yīng)(b)駐波比響應(yīng)圖18 濾波器3響應(yīng)V 結(jié)論 設(shè)計(jì)微帶抽頭線濾波器的技術(shù)已經(jīng)給出。這種設(shè)計(jì)的影響已經(jīng)通過(guò)樣例濾波器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

15、進(jìn)行了論證。這種類(lèi)型的濾波器性能與早期報(bào)告的濾波器相比，更有實(shí)用性。獲得的帶寬也要比在幾何微帶要寬。盡管耦合系數(shù)數(shù)據(jù)是通過(guò)雙線耦合幾何結(jié)構(gòu)獲得的，但是當(dāng)應(yīng)用在L波段的多導(dǎo)體幾何結(jié)構(gòu)時(shí)，產(chǎn)生的誤差看起來(lái)可以忽略，因?yàn)閺膶?shí)驗(yàn)曲線獲得的耦合系數(shù)不要求準(zhǔn)確的得到恰當(dāng)?shù)闹C振器距離。然而，這在高頻段時(shí)，這個(gè)事實(shí)也許就是錯(cuò)的。對(duì)于圖6中繪的設(shè)計(jì)曲線，因?yàn)轳詈舷禂?shù)在開(kāi)放微帶布局下獲得的（沒(méi)有包括上層的接地平面），如果濾波器應(yīng)用在空氣高度不足的介質(zhì)基板厚度的10倍的封閉的環(huán)境下，就需要耦合系數(shù)的某個(gè)范圍。在封閉環(huán)境下，對(duì)于相同的線寬，耦合系數(shù)比在開(kāi)放的幾何環(huán)境下更大。作者發(fā)現(xiàn)該范圍可以通過(guò)建立一個(gè)試驗(yàn)濾波器來(lái)很

16、有效的獲得而且耦合系數(shù)的范圍與帶寬的壓縮呈一定的比例。另外一種方法就是獲得濾波器在完全封閉的條件下的新數(shù)據(jù)，特別是在如果設(shè)計(jì)者正工作在相當(dāng)高的頻段。在圖9和10中給出的耦合系數(shù)數(shù)據(jù)是由空氣高度等于介質(zhì)基板厚度的把倍是獲得的。微帶抽頭線濾波器設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)于中等帶寬（超過(guò)20%），抽頭線微帶濾波器仍可以很輕易的在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)，然而傳統(tǒng)的微帶濾波器此時(shí)已經(jīng)達(dá)到了實(shí)際限制。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)就是在非常高的頻率處，抽頭加載結(jié)合點(diǎn)處的線寬可以與波長(zhǎng)比擬，那么這種加載也許久不再適用。對(duì)于窄帶設(shè)計(jì)（低于5%），抽頭位置（）到短路端非常小。在這種情況下，使用傳統(tǒng)的濾波器更有優(yōu)勢(shì)。盡管抽頭線濾波器

17、有它自己的缺點(diǎn)，它無(wú)疑填補(bǔ)了其他微帶濾波器不能實(shí)現(xiàn)的空白。致謝作者對(duì)G.Scherer 和V.Hazners長(zhǎng)期的鼓勵(lì)，M.Dishal的豐富的技術(shù)理論討論和讀者的創(chuàng)造性的批評(píng)建議致予深深的感謝。參考文獻(xiàn)1 M. Dishal, “A simple design procedure for small percentage bandwidth round-rod interdigital filters,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-13, pp. 696698, Sept. 1965.2 S. B. Cohn, “General

18、ized design of bandpass and other filters by computer optimization,” in 1974 IEEE Znt. Microwave Symp. Dig. Tech. Papers, pp. 272273 (IEEE Catalog no. 74CH08383 MTT).3 E. G. Cristal, “Tapped-line coupled transmission lines with applications to interdigital and combfine filters; IEEE Trans. Microwave Theo Tech., vol. MIT-23, pp. 1007-1012, Dec. 1975.4 M. Dishal, “Alignment and adjustment of synchronously tuned multiple-resonant-circuit filters,” Proc. IRE. vol