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進(jìn)口德國(guó)Sitronic 5672/02.5K29

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如今在無(wú)線通信系統(tǒng)，尤其是衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信的方面，對(duì)通道的選擇性要求越來(lái)越高，電子元器件也要求小型化、微型化，因此高選擇性的濾波器成為了研究的熱點(diǎn)。而微帶雙模濾波器憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、成本低、易于集成，且插入損耗低，易產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星通信和無(wú)線通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用;并隨著現(xiàn)代無(wú)線通信事業(yè)的進(jìn)一步友展，為了更高效地利用有限的頻譜資源，擴(kuò)頻﹑調(diào)頻、動(dòng)態(tài)頻率分配等技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，可調(diào)濾波器作為這些技術(shù)的關(guān)鍵器件也越來(lái)越受到重視。文中在微帶開環(huán)雙模諧振器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)加工了一款新型可調(diào)濾波器。

　　1.雙模諧振器特性

　　文中的可調(diào)濾波器是在開環(huán)雙模諧振器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，下面以形式的雙模諧振器—方環(huán)雙模諧振器為例，對(duì)其原理進(jìn)行分析，方環(huán)雙模諧振器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。方環(huán)邊長(zhǎng)近似為四分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)，通過改變對(duì)稱處加載微擾枝節(jié)的大小和形狀可以實(shí)現(xiàn)不同類型的頻率響應(yīng)。由圖1可知，方環(huán)雙模諧振器關(guān)于圖中的虛線A-A'對(duì)稱，因此可以應(yīng)用經(jīng)典的奇偶模方法對(duì)其諧振頻率進(jìn)行分析，根據(jù)雙模諧振器模型，這種結(jié)構(gòu)具有兩種諧振模式，即奇模諧振模式與偶模諧振模式。

　　圖1 微帶雙模諧振器示意圖

　　圖2 奇模和偶模饋電等效電路示意圖

　　如圖1中所示，奇模情況時(shí)，分別通過端口1和端口2饋入等幅反相的信號(hào)，對(duì)稱線A-A'處的電壓值為零，可等效為理想的電壁(虛擬短路) ，加載的微擾枝節(jié)相當(dāng)于被短路掉，相應(yīng)的等效電路如圖2(a)所示。當(dāng)忽略諧振的不連續(xù)性時(shí)，奇模激勵(lì)的輸入導(dǎo)納Yin,o可表示為式(1)，由其諧振條件Yin,o可得式(2)：

　　由式(2)可知，奇模諧振頻率只與方環(huán)各個(gè)部分的電長(zhǎng)度θ ，θ' ，θ"有關(guān)，與加載的枝節(jié)的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，改變方環(huán)諧振器的邊長(zhǎng)相應(yīng)的奇模諧振頻率也會(huì)改變。

　　偶模情況時(shí)，分別通過端口1和端口⒉饋入等幅同相的信號(hào)，對(duì)稱線A-A'處電流值為零，可等效為理想磁壁(虛擬開路)，相應(yīng)的等效電路如圖2(b)所示。與奇模激勵(lì)時(shí)情況類似，偶模激勵(lì)時(shí)的輸入導(dǎo)納Yin,o，可表示為式(3)以及式(4)：

　　根據(jù)偶模諧振條件Im(Yin,o)=0，可得式(5)：

　　由式(5)可知，偶模諧振頻率與圖1中方環(huán)的邊長(zhǎng)L及加載枝節(jié)的長(zhǎng)度Р都有關(guān)系，而上文中提到奇模諧振頻率只與方環(huán)諧振器的邊長(zhǎng)L有關(guān)，所以通過調(diào)節(jié)枝節(jié)長(zhǎng)度P，可以單獨(dú)改變偶模諧振點(diǎn)頻率。圖3中給出了奇模和偶模諧振頻率隨微擾加載枝節(jié)的長(zhǎng)度Р變化的曲線(L=16.2 mm)。

　　圖3奇偶模頻率變化曲線圖

　　由圖中曲線可知，隨著微擾枝節(jié)的長(zhǎng)度P的增長(zhǎng)，偶模諧振頻率降低。根據(jù)上述的奇偶模諧振頻率與方環(huán)邊長(zhǎng)L以及微擾枝節(jié)長(zhǎng)度P的關(guān)系，顯然可以通過在方環(huán)對(duì)應(yīng)的兩邊及微擾枝節(jié)的終端上加載電容器實(shí)現(xiàn)方環(huán)雙模諧振器的頻率調(diào)節(jié)。

　　2.可調(diào)濾波器設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)通過調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管偏置電壓實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)的雙模濾波器，需要分別設(shè)計(jì)固定頻率的濾波器以及偏置電路。根據(jù)上述理論分析，在對(duì)比多種雙模諧振器的優(yōu)缺點(diǎn)之后，文中的最終選擇如圖4所示的開環(huán)形式的雙模諧振器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可調(diào)濾波器。

　　圖4 HFSS雙模諧振器參數(shù)示意圖

　　優(yōu)化之后的諧振器的物理參數(shù)值如表1所示，濾波器響應(yīng)曲線如圖5所示，其中心頻率為3.45 GHz，濾波帶寬約為180 MHz，在頻率的有一個(gè)零點(diǎn)，通帶內(nèi)的傳輸損耗小于1.5 dB，插入損耗大于23 dB，帶外抑制>20 dB(@3.5 GH+0.5GHz)，符合設(shè)計(jì)的要求。文中的可調(diào)濾波器是設(shè)計(jì)在20mm*30 mm的厚度d=0.508 mm，介電常數(shù)εr=3.66，損耗角正切tano=0.004的Rogers RO4350介質(zhì)基板上的，其HFSS中的版圖如圖6所示。

　　圖5 濾波器響應(yīng)曲線

　　圖6 HFSS中可調(diào)濾波器示意版圖

　　為了保證加工的準(zhǔn)確性，在仿真過程中對(duì)可調(diào)濾波器進(jìn)行容差分析，將分析結(jié)果作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考，使最終加工獲得的濾波器在誤差范圍內(nèi)的濾波響應(yīng)可被接受。首先確定分析的對(duì)象，即可能會(huì)對(duì)濾波響應(yīng)造成較大影響的物理參量以及加工時(shí)易出現(xiàn)誤差的因素。在此主要對(duì)接地孔在橫向和縱向兩個(gè)方向上的偏移以及輸入輸出耦合縫隙寬度進(jìn)行容差分析。

　　圖7(a)(b)中的容差分析結(jié)果顯示，在加工誤差范圍內(nèi)接地孔位置的偏移的微小變化對(duì)濾波器的響應(yīng)幾乎沒有影響。另外，從圖7(c)中的結(jié)果可以看出耦合縫隙寬度的只會(huì)影響濾波器的帶寬，對(duì)其中心頻率沒有影響。還應(yīng)該注意到，縫隙寬度偏小時(shí)會(huì)使回波損耗惡化，但其影響也可以接受。

　　圖7 可調(diào)濾波器容差分析圖

　　3.仿真結(jié)果分析

　　ADS中仿真得到的頻率響應(yīng)曲線如圖8所示，不同中心頻率及濾波帶寬對(duì)應(yīng)的變?nèi)荻O管的偏置電壓組合如表2所示。仿真中濾波器可以實(shí)現(xiàn)從2.7~2.9 GHz的中心頻率可調(diào)，插入損耗等參數(shù)也都實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，隨著可調(diào)濾波器中心頻率變大，其3dB帶寬及相對(duì)帶寬都變寬，插入損耗變小。