微波无线电通信系统的研究

摘 要：随着通信技术的不断发展，无线电技术中的微波有源、无源部件的研究对于提高卫星通信系统以及雷达系统的性能具有非常重要的意义。本文主要围绕无线电收发信机中的微波有源、无源部件，结合微带传输线理论提出了抑制杂波的SIR电容藕合微带带通滤波器结构，详细分析了SIR谐振器结构通过调整谐振器的阻抗比实现杂波频率控制的机理，给出了SIR电容藕合带通滤波器的仿真结果。

关键词：微波;无线电;带通滤波器;杂波抑制

中图分类号：TN925文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2008)07-044-03オ

Study on Microwave Components of Wireless Communication System

YE Shunfu

(Zhangzhou Employment Center,Zhangzhou,363000,China)

オ

Abstract：With the development of communication technology,it becomes very valuable to study on microwave active and passive components in wireless technology as excellent to enhance the capability of satellite communication systems or radar system.Based on the study for the spurious suppression technology of microstripbandpass filter,a capacitive coupled Stepped Impedance Resonators(SIR) microstrip passband filter is proposed,the principle that spurious center frequency can be controlled by adjusting the SIR impedance ratio are analyzed and the results of passband filter simulation is given.

Keywords：microwave;wireless;bandpass filter;clutter suppression

1 引 言

雷达、卫星通信、无线电遥感，导航系统的研究使得无线电技术得到了快速的发展，尤其到了20世纪末期，随着移动通信技术、射频识别技术、无线网络的应用，无线电技术的研究进入了一个新的发展时期。射频或微波无线电通信系统的前端都由不同的部件通过传输线连接构成。无线电通信系统的前端中既包含无源部件如功分器、藕合器、滤波器、延迟线、隔离器、环行器以及天线等又包含有源部件如混频器、开关、相移器、本振、放大器等。要提高整个无线电系统的性能，除了在设计系统的时候，需要综合考虑各个部件的指标分配以外，每个部件的性能指标以及其实现形式也要进行考虑，因此研究具有特的微波部件具有非常重要的意义。

在传统的无线电收发信机中，为于降低杂波响应对混频器、功率放大器等非线性部件的影响，通常最直接的方式是在带通滤波器的输出端口串联一个低通滤波器，额外低通滤波器的使用不仅增加了滤波器的插入损耗同时也加大了滤波器的体积。而具有杂波抑制特性的带通滤波器不仅可以实现这个功能，同时由于抑制了杂波还可以提高带通滤波器的通带对称性以及高端阻带的衰减特性。因此，本文在研究了国内外关于微带结构带通滤波器的杂波抑制技术的基础上结合微带传输线理论提出了抑制杂波的SIR电容藕合微带带通滤波器结构，详细分析了SIR谐振器结构通过调整谐振器的阻抗比实现杂波频率控制的机理，给出了SIR电容藕合带通滤波器的仿真结果。

2 微带SIR电容间隙藕合带通滤波器的设计原理

传统的电容间隙微带藕合带通滤波器是采用λ/2传输线作为谐振器，通过边缘的端电容藕合而实现的滤波器结构，该结构和平行藕合微带带通一样，不具有谐波抑制特性。SIR谐振器构成的滤波器由于其减小了微带藕合谐振器的奇模和藕合的相速，可以抑制滤波器的一阶谐波通带。利用SIR谐振器的特性，将其取代电容藕合带通滤波器的λ/2微带谐振器，得到了一种可以控制其谐波频率的微带SIR电容间隙藕合带通滤波器((CGC)，仿真结果证实了其抑制谐波的特性。

3 等电长度SIR谐振器

SIR谐振器是由两个以上具有不同特性阻抗的传输线组合而成的准TEM波的谐振器。微带SIR谐振器如图1所示，其结构为对称的，中间和两端的特性阻抗分别为Z1和Z2，电长度分别为2θ1和2θ2, θR=2(θ1+θ2),阻抗比值K=Z2/Z1,SIR谐振器终端开路时其输入导纳为：

И

Yin=j1Z2•2(Ktan θ1+tan θ2)(K－tan θ1•tan θ2)K(1－tan 2θ1)(1－tan 2θ2)－2(1+K2)tan θ1•tan θ2

(1)

И

当Е1＝θ2＝θ时，Ъ吹扔SIR谐振器，上式可以简化为：

И

Yin=j1Z2•2(K+1)(K－tan 2θ)•tan θK－2(1+K+K2)tan 2θ+Ktan 2θ

(2)

И

根据电磁场理论当Yin＝0时，SIR满足谐振条件，即K=tan2θ。

图1 微带SIR谐振器

设谐波响应中心频率为Fsn(其中n=1,2,3,…)对应的电长度为θsm，由文献[2]有

tan θs1=∞，tan 2θs2=K,tan θs3=0,б唤准纳通带的电长度最小值为π/2，所以有:

И

fs1fs0=θs1θs0=π2tan －1K

(3)

И

由式(3)可以看出SIR谐振器不同的阻抗比值将使得其一阶谐波中心频率的位置不一样，因此可以通过调节SIR的阻抗比来控制一阶谐波通带的中心频率。例如当SIR谐振器阻抗比值K=05的时候，一阶谐波通带的中心频率在255f0处。

4 SIR电容藕合带通滤波器设计

传统的电容藕合带通滤波器是一种用近似为频带中心频率f0的半波长传输线作为谐振单元，端电容间隙为藕合结构的自接藕合半波长滤波器如图2所示，每个谐振器的长度定义为一个容性间隙中心到下一个容性间隙中心的距离，其一阶谐波通带的中心频率为第一通带中心频率的2倍左右。

图2 电容间隙藕合微带滤波器

根据滤波器理论其导纳变换器导纳的公式为：

И

J01 Y0=πW2g0g1 ω′1

Jj,j+1Y0j-1,n-1=πW2ω1gj gj+1

Jn,n+1Y0=πW2gngn+1ω′1

(4)

И

其中:gj为低通原型滤波器的元件数值，W为带通滤波器的相对带宽，ω′1为归一化带边频率。W=ω2－ω1ω0=2ω2－ω1ω2+ω1,ω2为上带边频率，ω1为下带边频率。己知导纳变换器的导纳后，即可对电容间隙的尺寸和谐振器的长度进行设计。И

因为电容间隙比较小，故间隙电纳可以使用集中参数串联电纳Bj,j+1来表示，如图3所示。电容间隙藕合结构的等效电路如图4所示。串联电纳和导纳变换器导纳J的关系为：

И

Bj,j+1Y0=Jj,j+1/Y01－(Jj,j+1/Y0)2

(5)

И

知道串联电纳Bj,j+1后，谐振器的实际长度可以通过式(6)、式(7)进行计算，也可以自接通过串联电纳由图表进行计算。

И

θj=π－12arctg2Bj－1,jY0+arctg2Bj,j+1Y0

(6)

lj=λθj2π

(7)

И

其中λ为带线中的导波波长。

图3 微带SIR电容间隙藕合滤波器结构

图4 小电容间隙等效电路

两谐振器间的电容间隙Δj,j+1可以由串联电纳来计算。因为电容的间隙比较小，所以边缘电容效应可以忽略，则间隙电容可以用平板电容公式来确定，所以微带谐振器之间的间隙可以通过下面的公式确定：

И

Bj,j+1=ω0C

(8)

C=0225εrAΔj,j+1

(9)

И

式中Bj,j+1单位为欧姆，A为导带截面积，Уノ晃平方英寸。

在实际的设计过程中，由于Δj,j+1比较小，通过经验公式计算的电容间隙误差比较大，可以利用微波CAD电路仿真软件，通过设置初值的方法来优化计算谐振器之间的电容间隙。

5 滤波器的仿真

微带SIR电容藕合带通滤波器结构如图3所示，滤波器的谐振单元由具有一定阻抗比的SIR谐振器构成，输入、输出端的阻抗为50 Ω特性阻抗。利用SIR谐振器结构在介电常数为27，高度为15 mm介质基板上设计、仿真了两个带通滤波器。一个中心频率f0=3 GHz，分数带宽为3%，通带内有02 dB切比雪夫波纹的SIR电容藕合带通滤波器，SIR的阻抗比值为k=05。选用了三阶SIR结构来实现滤波器，将设计得到的最初数据使用微波CAD仿真软件对其进行了优化，仿真结果如图5所示。

图5 中心频率为3 GHz的SIR微带

CGC带通滤波器频率响应

从图5中可以看出设计的SIR电容藕合带通滤波器具有较好的频率响应，在295 GHz和305 GHz有约18 dB的衰减。其中一阶谐波通带的中心频率在约26f0处与理论计算的当SIR谐振器阻抗比k=05时一阶谐波通带中心频率在255f0处相差约2%。另一个的中心频率为191 GHz，分数带宽为1%的微带SIR电容藕合带通滤波器，SIR的阻抗比值k=034，理论计算其一阶谐波通带中心频率应该在297f0处，一阶谐波通带的中心频率为

582 GHz，约为主通带中心频率的3倍，理论和仿真结果非常一致。由此可见通过调整SIR的阻抗比，可以偏移寄生通带，从而达到抑制谐波的目的。

增加SIR谐振器的阻抗比值为01，在介电常数为27，高度为15 mm介质基板上设计中心频率f0=15 GHz，分数带宽为2%的滤波器，高阻抗线电长度为378°,低阻抗线为113°的微带电容藕合带通滤波器的结构，输入、输出端口为特性阻抗为50 Ω的微带线，优化微带电容藕合间隙以及谐振器的电长度后可以获得滤波器仿真结果。从中得到结果:滤波器在二阶杂波通带的中心频率响应小于-20 dB，从而进一步说明通过调整SIR谐振器的高、低阻抗比可以控制滤波器的杂波响应。

6 结 语

文中介绍了微波带通滤波器的概况，分析了采用SIR谐振器电容藕合带通滤波器结构抑制杂波的机理，并给出了设计实例以及仿真结果。结果表明，具有杂波抑制特性的带通滤波器不仅可以降低杂波响应对混频器、功率放大器等非线性部件的影响，还可以提高带通滤波器的通带对称性以及高端阻带的衰减特性。

参 考 文 献

［1］冈萨雷斯,白晓东.微波晶体管放大器分析与设计[M].北京:清华大学出版社,2003.

［2］清华大学微带电路编写组.微带电路[M].北京:人民邮电出版社,1975.

［3］甘本被.吴万春.现代滤波器的结构与设计[M].北京:科学出版社,1973.

［4］徐鸿飞.同轴腔带通滤波器的一种设计方法[J].微波学报,2004，20(1)：55-58.

［5］李胜先.吴须大.基于遗传算法的微波类椭圆函数滤波器的优化设计[J].空间电子技术,2002(3)：60-65.

作者简介 叶顺福 男，1963年出生，福建省平和县人，工程师，曾获得漳州市2001年度科学技术进步奖三等奖。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。