带状线交指滤波器的准确设计

2012-07-19#带#状#线#交#2指01滤2-波0器7-的19准#确#设#计#2#0#12-07-19#田唯人 , 张建利( 西北电子设备研究所 , 陕西 西安 710065 )摘 要 在 L 、S 等较低的微波频段 ,带状线交指滤波器是常用的滤波器之一 。文献上一般只给出比较详细的矩形杆间距 和带状线宽度的设计公式 ,对于谐振杆长度 l 或者端间隙 S a 的确定 , 以及终端杆边距 S0 的确定 , 仍然要通过实验方法不断修 改多次才能完成 。提出了十分简单准确有效的电容间隙 S a 的设计方法 , 即 S a = b/ 4 , 解决了一直困扰工程师的一个难题 。关键词 滤波器 ;带状线 ;电容间隙中图分类号 TN713文献标识码 A文章编号 1003 - 3106 (2007) 08 - 0035 - 03The Precision Design of Ca pacitive Ga p f or Comb Stripline FilterTIAN Wei2ren ,ZHANG J ian2li( The North2West China Research Institute of Electronic Equipment , Xian S hanxi 710065 , China)Abstract Comb stripline filters are common filters in lower microwave frequency band , such as L2band and S2band. The resonance rectangular bar length l ,the edge distance S0 , especially the capacitive gap S a are determined difficultly in the practice . Generally ,they are determined by many experiments. So ,an effective method of capacitive gap ( S a = b/ 4) is presented ,which has been used in many engineering projects.Key words filter ; stripline ;capacitive gap Cp1 2 w1 / b = 1 - t/ b 。引言带状线交指滤波器具有二次通带 3o 、设计带 宽可由 1 %直到 1 个倍频程 、结构尺寸紧凑的特点 。 终端短路式带状线交指滤波器的设计可根据工作带 宽 W 、中心频率 o 、抑制频率 c 的隔离度 Lar 以及 通带内最大允许电压驻波比 , 确定滤波器的节数 n 以及低频等效梯形网络元件值 gi , 再计算出电容网 络参数的自电容 Ci 与互电容 Ci , i + 1 , 将带状线的边 缘电容 、奇偶模电容等与其对应起来 , 便可求出实际 滤波器的线宽 Wi , 谐振 杆 间 距 S i , i + 1 , 谐 振 杆 和 端 间隙 S a 等 。(3)0 Cp2 2 w2 / b = 1 - t/ b 。(4)式中 , Cf 0 、Cf e 为 奇 偶 模 电 容 2 , 设 计 时 可 在 文 献 13 的任意一个中查到 , 文献 3 计算的精度 1. 24 % 。Cf 0 、Cf e带状线交指滤波器的准确设计11 . 1耦合带状线的特性耦合 带 状 线 如 图 1 所 示 3 , 边 缘 电 容 Cf 只 与t/ b有关 : Cf12 = 2ln (+ 1) -(- 1) ln ( - 1)。(1)图 1 耦合带状线1=1 - t/ bC = Cf 0 -1 . 2谐振杆参数设计Cf eC11 = 2 Cp1 + 2 Cf + 2 Cfe。(2)在实际滤波器设计中 , 低通滤波器原型确定后 ,C22 = 2 Cp2 + 2 Cf + 2 Cfe2012-07C-19#2012-07-19#2#0#12-07-19#12 =C 收稿日期 :2007204230由文献 1 的设计公式计算出电容网络参数 , 即各节的自电容 Ci 与互电容 Ci , i + 1 , 然后选定带状线地板 间距 b 和厚度 t , 再将这些电容转化成带状线的相 关参数 , 即线宽 Wi 、谐振杆间距 S i , i + 1 。对于第 1 个谐振杆 , 由式 ( 1) 求得 Cf , 由 C01/ ( 即C01/ ) 确定 S 01/ b , 并由 S 01/ b 确定 Cf e01/ , 再 将 C0 代入式 (2) 中 , 结合式 ( 3) 得出线宽 w0 1 : 谐振杆长度的确定一直以来都是靠实验方法完成的 , 直接影响研制成本和周期 , 长期困扰着设 计工程师 。通常 S 0 改变 0. 1 mm 通带大约偏移1015 MHz , 因 此 仅 凭 经 验 和 实 验 常 常 要 反 复 很 多 次 。由于目前的加工精度不可能要求 0. 01 mm , 因此设 计带宽至少应留出 15 MHz 的设计余量 。文献 1 虽然给出了一种近似求解 S 的方法 , 但是实验表明并0CfCfe01没有实际参考价值 , 作者经过设计与实验研究得出的结论是 : S 0 与带宽 W 、节 数 n 、频 率 0 、c 等 无 关 , 只与带状线地板间距 b 有着十分简单而且准确 w0 C01 - t/ b( 2 - - ) 。(5)b =2对于第 2 个 ( i = 1) 以后至第 n 个谐振杆 , 由于杆间耦合的影 响 , 式 ( 2) 中 的Cf 应 替 换 成 Cf ei - 1 , i ,的关系 , 即 S = b/ 4 。0S i , i + 1/ b 由 Ci , i + 1/ ( 即Ci , i + 1/ ) 计算或者查曲线确定 , 并由 S i , i + 1/ b 确定 Cf ei , i + 1 , 式 ( 2) 中的 Cf e变为Cf ei , i + 1 , 线宽 Wi 计算式为 :在谐振杆留间隙的一端需要合适的调配螺钉 ,螺钉直径参考带状线宽度 w 和厚度 t 共同确定 , 不 能太粗或太细 , 以不大于最大线宽 , 略大于最小线宽 较为合适 , 尽量采用标准螺纹以方便加工和兼顾通用性 。 Cf ei - 1 , i Cf ei , i + 1 Wi1 - t / b Ci=( 2-) , i = 1 , 2 , , n 。(6)b 2带状线盒子的宽度 l0 = 0/ 4 。当 w/ ( b -0. 35 时 , 线宽必须修正为 w 1 - 3 :t ) 设计实例与测量性能2 w 0. 07 (1 - t/ b) + w/ b 。(7)=b1. 2传统上的设计带宽都留有 8 %左右的余量 , 从实测结果来看 ,由于设计准确性的提高和测量仪器 更加先进 ,只要 35 %左右就可以了 。滤波器内腔 尺寸的加工精度对通带损耗和驻波的影响较大 ,虽 然设计通带损耗 0. 01 dB 波纹 ,反射损耗 - 26. 3 dB , 但当公差满足 0. 1 mm 左 右 时 , 受 各 种 因 素 的 影 响 ,反射损耗仅可达到 - 23 dB 左右 ,通带损耗小于0. 25 dB 。设计实例 : 设计一个通带 2. 53. 0 GHz , 阻 带2. 25 ,3. 25 GHz 在 65 dB 以上的终端短路式带状线 交指滤波器 。带宽 W = ( 3. 0 - 2. 5) / ( 3. 0 + 2. 5) /2 = 18. 18 % , / 1 = 2 (c / 0 - 1) / W = 1. 997 。选择切比 雪 夫 低 通 滤 波 器 原 型 , 设 计 驻 波 为 1. 1 ,0. 01 dB波纹 ,由 65 dB 以上阻带隔离得到节数 n =9 , 采 用 50 同 轴 馈 电 , Z0 = 50 , YA = 0 . 02 , 计为了避免激励 TM01和 TE11 模 , b 、w 同时还应满足 : b h/ 2波长 。r, w h/ 2r,h 为通带高端的1 . 3 电容间隙 S a 与终端杆边距 S0 的设计为了研究电容间隙 S a 与终端杆边距 S 0 的变化对滤波器通带和电压驻波比的影响 , 将多个不同带 宽 W 、不同节数 n 、不同抑制频率 c , 以及不同阻带 隔离 Lar 的滤波器两端做成可移动短路活塞 , 每个 滤波器的首件谐振杆长度 l 接近盒子的宽度 l0 , 即 间隙 S 0 较小 。移动短路活塞改变 S 0 的大小 , 观察 滤波器通带与电压驻波比的变化趋势并做记录 , 改 变电容间隙 S 0 ( 机床加工) 并记录数据 , 在大量实验 研究的基础上 , 得出如下结论 :终 端 杆 边 距 S 0 大 约 大 于 3 mm 时 ( 在 2 3 GHz频段) , 间距 S 0 的大小对滤波器设计带宽 W 节数 n 、频率 0 、c 呈现大范围的匹配 , 即不同的间 距 S 0 均可以用调配螺钉使得通带和电压驻波比满足要求 , 因此只要留出足够的加工空间即可 ;1 , 3 (算或者查文献 1 的切比雪夫滤波器低频等效梯形网络的各元件值为 :g0 = g10 = 1 ; g1 = g9 = 0. 814 4 ; g2 = g8 = 1. 427 ;g3 = g7 = 1. 804 3 ; g4 = g6 = 1. 712 5 ; g5 = 1. 905 7 ;=(1 - 1. 08 W / 2) / 2 = 81. 167。式中 , 系数 1. 08 为带宽设计余量 。)根据上述方法设计的几个终端短路式带状线交2007 Ra dio Engineering Vo1137 No1836指滤波器测量性能如图 2 所示 。J 01J n , n + 1M1 = YA (h + 1) ; M = Yh + 1n AYAYA C01 Cn , n + 1 3767 3767 = ( M1 -YA ) ;= ( Mn -YA ) 。 (9)rr Ck , k + 13767 hYAJ k , k + 1=, k = 1 , 2 , , n - 1YAr令 :2 CK - 1 , K + CK + 2 CK , K + 1 = 5. 4 , K = n + 1 ( n 为奇数) ,K = n/ 2 ( n 为偶数) 。2CK/ 由 式 ( 10 ) 给 出 , 于 是 可 以 求 出 h =0. 093 86 , M1 = 0. 026 79 , M n = 0. 026 79 , 计算互电容 Ci , i + 1 /( 即Ci , i + 1/ ) , 选定 t/ b = 0. 3 , 由式 ( 1) 得 出 Cf / = 0. 8 , 查文献 1 , 2 图表 , 得到 S i , i + 1/ b , 由 S i , i + 1/ b 查到 Cf ei , i + 1/ , 计算的互电容以及查出的S / b 、Cf e / 如表 2 所示 。表 2计算的互电容C01/ C12/ C23/ C34/ C45/ 2 . 557 70 . 655 90. 440 70 . 402 30 . 391 4S 01/ bS 12/ bS 23/ bS 34/ bS 45/ b0 . 160 . 480 . 600. 630 . 64Cfe01/ Cfe12/ Cfe23/ Cfe34/ Cfe45/ 0 . 220 . 520 . 600. 620 . 62C56/ C67/ C78/ C89/ C910/ 0 . 391 40 . 402 30. 440 70 . 655 92 . 557 7S 56/ bS 67/ bS 78/ bS 89/ bS 910/ b图 2 带通滤波器测量性能0 . 640 . 630 . 600. 480 . 16J 01J n , n + 1;11 Cfe56/ Cfe67/ Cfe78/ Cfe89/ Cfe910/ YA =YAg gg g0 1n n + 10 . 620 . 620 . 600. 520 . 22 J k , k + 1 1 =; k = 1 , 2 , , n - 1。 (8)YAg g计算自电容如下 :k k + 122 C0 Cn + 1 3767tan 3767Nk , k + 1J k , k + 1= (2 YA - M1) , = (2 YA - Mn)=+ , k = 1 , 2 , , n - 1rrtg+YAYA42将 gi 、代入式 (8) 计算出 J y 、N i , i + 1如表 1 所示 。表 1 计算的 J y 、Ni , i + 1C1 3767= hYJ01Y - M + hY+ N-AA1 A12YAr2。2Cn3767=tgJ n , n + 1 J y 01 J y12 J y23 J y34 J y45 Y- M + hY+ N-n - 1 , nAnAYAr21. 108 10 . 927 60. 623 20 . 568 90 . 553 5 Ck 3767= hY J k - 1 , kJ k , k + 1- -N 12N 23N 34N 45+ NNAk - 1 , kk , k + 1YAYAr3 . 348 43. 277 23 . 267 33 . 264 6( 10)由 式 ( 5 ) ( 7 ) 求 出 w0 , wi , w n + 1 。当 w/ b/ ( 1 -t/ b) 0 . 35 时 , 线宽 w 必须用式 (7) 修正 , 表 3 中给 出了计算的 Ci / 以及修正前后的线宽 wi 、wi 。( 下转第 64 页)J y 56J y 67J y78J y89J y 910 0 . 553 5 0 . 568 9 0 . 623 2 0 . 927 6 1 . 108 1 N 56N 67N 78N 89 3 . 264 6 3 . 267 3 3 . 277 2 3 . 348 4 依据上述参数 , 计算电容网络参数互电容 :2007 年 无线电工程 第 37 卷 第 8 期37J n - 1 , nYAJ12YA容 、电压调节模块 VRM 和噪声源 。它们都与具体的网格点连接起来 , PI 将产生每一个节点的频率 - 阻 抗仿真波形 。一条曲线 ,通过曲线可以判断哪一网格阻抗不满足要求 ,从而可以有针对性的对此处采取措施 ,或增加 去耦电容 ,或降低噪声 。结束语在数字设计领域 ,时钟频率的急剧提高 ,超大规 模高速芯片的应用 ,芯片的功耗越来越大 ,而且供电 电压却越来越低 ,由此导致的信号完整性问题和电 源完整性问题 ,正是高速电路设计中要解决的最重 要问题 。本文简要分析了高速电路设计中的电源完整性 问题 ,介绍了利用 Allegro PCB PI 进行电源完整性分 析和设计流程 ,并结合一个设计实例进行了说明和 分析 。相对于其他电源完整性分析工具 , PI 易于使用 ,不需要很深的电磁学及微波方面的基础 ,非常适4结果分析3利用 Cadence 软件中 Allegro 的 Power Integrity 模块 ,分析了一块 140 mm 280 mm 四层高速 PCB 板 的电源阻抗 。在第 1 版中 ,没有利用 PI 分析 , 只是 根据经验放置了一些去耦电容 。在调试时 ,发现高 速数字信号的波形不好 ,有时会有误码 。在第 2 版 中 ,通过 PI 进行分析 ,调整了去耦电容的数量和位 置 ,在实际测试中 , 性能有很大改善 , 达到了预期 。 图 2 中的目标阻抗是 012 ; 没有加去耦电容时 ,曲 线在20 MHz附近有一个 10 左右的峰值 ,在此频率 附近加上去耦电容 ,然后再进行仿真 ,可以发现 ,性 能有显著改善 。由图 2 可见 ,增加适当的电容 ,可以 使得电源分配网络在从直流到 100 MHz 的范围内比 较好地满足了目标阻抗的要求 。在多节点仿真时 ,将电源平面划分为 8 8 的网 格 。然后将噪声源 、VRM 以及选定的去耦电容放置 在板子中 。放置噪声源时 ,可以根据实际使用的器 件 ,改变其参数 。噪声源一般放置在大规模电路 、高 速器件或对噪声敏感的器件附近 。仿真之后 ,可以得到一组频率 - 阻抗仿真波形 ,每个网格节点对应合于数字电路设计人员使用 。参考文献 1 JOHNSON H , GRAHAN M. 高速数字设计 M . 北京 : 电子工业出版社 ,2005. 2 白同云 . 高速 PCB 电源完整性研究 J . 中国电子科学研 究院学报 ,2006 ,1 (1) :22 - 30. 3 张喜明 ,周旭 ,黄巍 . Cadence 的 PSD 软件在 C6000 平台设计中的应用 J . 无线电工程 ,2005 ,35 (4) :59 - 61.作者简介马守兴 男 , (1979 - ) ,中国电子科技集团公司第五十四研究所 助工 。主要研究方向 :数字信号处理 。(上接第 37 页)表 3 计算的 Ci / 及修正前后的线宽器的设计 ,提出的电容间隙 S 0 的设计方法简单 、准确 、有效 ,并给出了设计实例 ,实际测量的滤波器性 能与设计要求十分吻合 。采用这种设计既能降低研制成本 ,又可以缩短研制周期 ,无需再用 HFSS 或者C0/ C1/ C2/ C3/ C4/ C5/ 4 . 9762 . 2983 . 5893 . 7853 . 8253 . 834W0/ bW1/ bW2/ bW3/ bW4/ bW5/ b 0 . 514 0 . 1431 0 . 236 0 . 235 0 . 2354 0 . 237 其他高频仿真软件仿真计算 。参考文献修正后0. 160 . 2370 . 2370 . 2370 . 238 C6/ C7/ C8/ C9/ C10/ 1 甘本祓 ,吴万春 . 现代微波滤波器的结构与设计 M . 北京 :科学出版社 ,1964. 2 MALHERBE J A G. Microwave Transmission Line Filter M .USA :Artech House , INC. ,1979.3 . 8253 . 7853 . 5892 . 2984 . 976 W6/ b W7/ b W8/ b W9/ b W10/ b 0 . 2350 . 2350 . 2360 . 1430 . 5140 . 2370 . 2370 . 2370. 16修正后带状线盒子的宽度 l0 = 0/ 4 = 27. 27 mm , S 0 取b/ 4 , 终端杆边距 S 0 取 8 mm 以便机床加工 。为了 方 便 查 Ci , i + 1/ 、Cf e / 设 计 曲 线 , 选t / b = 0. 1 , 0. 2 , 0 . 4 , 0. 6 , 0. 8 比较合适 。 3 GETSIGER J . Coupled Rectangular Bars between ParallelPlatesJ . IRE2MTT ,1962 ,10 (1) :65 - 70.COHN S B. Shielded Coupled2strip Transmission Line J . IRE2MTT ,1955 ,3 (10) :29 - 38. 4 作者简介田唯人 男 , (1963 - ) ,西北电子设备研究所高级工程师 。主要 研究方向 :天线与微波技术 。3 结束语本文完整地论述了终端短路式带状线交指滤波2007 Ra dio Engineering Vo1137 No1864Your request could not be processed because of a configuration error: Could not connect to LDAP server.For assistance, contact your network support team.file:/C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt涵盖各行业最丰富完备的资料文献，最前瞻权威的行业动态，是专业人士的不二选择。file:/C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt2012/8/26 12:19:58