應用于多波段目標模擬器的微帶濾波器設計

杜 娟 趙永鐵

(92941部隊 遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

現有雷達目標模擬器多是針對某一特定波段雷達進行功能及參數設計，若想為不同波段的多部雷達同時提供模擬目標信號，則需要多個雷達目標模擬器[1]，價格昂貴。為實現同一模擬器同時為多型號多波段雷達提供模擬目標信號，需要在模擬器體積、成本等方面開展深入研究，而濾波器是其中的重要環節。

濾波器種類繁多，按照通頻帶分類[2-3]，濾波器可分為帶阻濾波器、帶通濾波器、高通濾波器、低通濾波器等；按照通帶濾波器特性分類，有源濾波器可分為最大平坦型濾波器、等波紋型濾波器、線性相移型濾波器等；按照濾波器的傳輸線類型分類[4]，可分為介質濾波器、同軸濾波器、波導濾波器和微帶濾波器等。

根據傳輸線類型選擇濾波器時，可依據不同種類濾波器的特點及使用需求進行選擇。介質濾波器硬件布局緊湊，損耗較低，具有比較穩定的溫度特性，但受現有技術水平限制，適用頻率范圍僅限于50GHz，質量成本較高；同軸濾波器，由于自身腔體結構特點會在遠端產生諧振峰，對器件本身性能產生不利影響；波導濾波器，品質因子高、損耗小、頻率使用范圍寬，但由于波導濾波器的體積和重量比其它類型濾波器大很多，因此應用范圍較??；微帶濾波器因其重量輕[5]、體積小、制造簡便、頻帶寬等優點，在微波電路設計中使用廣泛，是多波段雷達目標模擬器設計的首選器件，具體體現在以下三方面：

1)微帶傳輸線使用的介質基片介電常數較高[6-7]，減小了微帶線上的波長，使得微帶線的尺寸無論在縱向，還是橫截面上都大幅減??；

2)可通過在線路板上印制導電材料來實現；

3)微帶濾波器可以靈活地與微波固體器件連接，可以非常方便地實現微帶濾波器與微波固體器件的集成設計。

根據多波段雷達目標模擬器設計要求，文中選擇常用的微帶帶通濾波器進行設計分析。

1 微帶帶通濾波器設計原理及方法

1.1 微帶帶通濾波器設計原理

微帶帶通濾波器是由多個平行耦合單元級連后構成的，單個平行耦合微帶傳輸單元構成如圖1所示。

圖1 平行耦合微帶傳輸單元

每個平行耦合微帶傳輸單元都可以用一種電角度為θ的電路來表征[8]，如圖2所示，它包含一個導納倒置轉換器和兩組線段。

圖2 平行耦合微帶傳輸單元等效電路

平行耦合微帶傳輸單元與其等效電路的參數關系為：

(1)

(2)

式中， Z0e為平行耦合微帶傳輸線的偶模阻抗， Z0o為平行耦合微帶傳輸線的奇模阻抗， J為導納，Y0為平行耦合微帶傳輸線的特性導納。

根據圖2所示等效電路，可推導出多個耦合微帶傳輸單元構成的平行耦合微帶帶通濾波器的等效電路，如圖3所示。

圖3 平行耦合微帶帶通濾波器等效電路

1.2 微帶帶通濾波器設計方法

微帶帶通濾波器的設計參數較多，可按如下方法進行設計和計算[9-10]：

1)根據微帶濾波器設計要求確定低通濾波器原型(常見的低通濾波器原型有利比雪夫濾波器和最大平坦濾波器)，濾波器階數N可參考設計指標確定，之后便可根據濾波器階數計算g1、g2、……、gN、gN+1、g為濾波器歸一化參數；

2)帶通濾波器的中心頻率ω0通常由ωH和ωL確定：

(3)

3)濾波器相對帶寬BW可由中心頻率ω0、截止頻率ωH和ωL來確定：

(4)

4)微帶帶通濾波器各個耦合單元的導納可根據式(5)-(7)進行計算：

(5)

(6)

(7)

5)根據微帶帶通濾波器的設計要求，濾波電路的奇模特征阻抗和偶模特征阻抗分別為：

(8)

式中，Z0為微帶電路輸入和輸出的特征阻抗，ZE|i,i+1為微帶電路的偶模阻抗，Z0|i,i+1為微帶電路的奇模阻抗；

6)對照微帶線數據表，結合各段耦合單元的特征阻抗選擇合適的微帶線結構；根據帶通濾波電路介質基片厚度d和相對介電常數εr，計算各段耦合微帶線的寬度W、長度L和間距S；已知微帶線結構、尺寸和間距，即可完成濾波器電路設計。

2 設計實例及仿真結果

2.1 頻率檢測電路設計

雷達目標模擬器設計中，功分器輸出的信號頻率在16～22GHz范圍，由于不知道信號的具體頻點，要在如此寬的頻率范圍內直接處理是十分困難的，為此設計了頻率檢測電路，將信號的頻率確定在一個較窄的范圍之內，然后再進行處理。頻率檢測電路的工作原理如圖4所示。

圖4 頻率檢測電路工作原理框圖

圖4中共4路信號檢測電路，將16～22GHz劃分為16～17.5GHz、17.5～19GHz、19～20.5GHz、20.5～22GHz四個不同的頻率范圍，當相應的頻率范圍有信號時，對應路的比較器就會有信號輸出到FPGA。

2.2 微帶帶通濾波器設計指標

下面以微帶帶通濾波器1為例進行設計分析。

微帶帶通濾波器1設計指標為：中心頻率ω0=16.75GHz；相對帶寬W=9%；在f=14GHz時,衰減量大于20dB；帶內波紋為0.5dB；微帶線特性阻抗Z0=50Ω；介質基片的相對介電常數εr=9.8，厚度d=0.5mm。

根據上述指標要求，微帶帶通濾波器1選用5階最大平坦濾波電路。查濾波器電抗元件值，5階最大平坦濾波電路的歸一化參數為：g1=g5=0.618，g2=g4=1.618，g3=2，g0=g6=1。

濾波器標準阻抗選擇Z0=50Ω，濾波器微帶線的特征阻抗按照前文“微帶帶通濾波器設計方法”中式(8)進行計算， 5個耦合線段的微帶線寬度W、間距S和長度L通過ADS軟件進行計算，得出微帶線阻抗表。

表1 微帶線阻抗表

2.3 仿真結果

將表1中各段微帶線的參數代入Ansoft-HFSS電磁場仿真軟件，得到微帶帶通濾波器1的仿真模型，如圖5所示。

圖5 微帶帶通濾波器1模型

圖6 微帶帶通濾波器1設計仿真結果

由圖6仿真結果可知：

1)微帶帶通濾波器1的濾波范圍為16-17.5GHz，帶通性能較好；

2)通帶波紋較平坦，帶內波紋小于0.5dB；

3)阻帶平滑單調，衰減性能良好，14GHz處衰減大于20dB。

綜上所述，微帶帶通濾波器1的設計方案能夠滿足頻率檢測電路的設計要求。微帶帶通濾波器

2-4可參照微帶帶通濾波器1的設計方案進行設計。

3 結束語

本文分析了介質濾波器、同軸濾波器、波導濾波器、微帶濾波器等四種濾波器的優缺點，結合多波段雷達目標模擬器的特點，選擇了微帶帶通濾波器進行設計。以微帶帶通濾波器的設計原理及方法為基礎，設計了模擬器的頻率檢測電路，利用Ansoft-HFSS軟件對其中的微帶帶通濾波器進行仿真計算，仿真結果表明該設計帶通性能較好，帶內波紋小，衰減性能良好，對于多波段雷達目標模擬器的工程設計具有現實指導意義。

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