2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of Chinese Academy Sciences, Beijing 100049, China
K波段(18~26.5 GHz)是射电天文学研究恒星形成, 特别是大质量恒星形成十分重要的观测波段。多条氨分子谱线被认为是测定恒星形成区稠密分子云核密度及温度等物理条件的强有力工具, 而22 GHz水脉泽通常也与恒星形成区成协。在该波段还存在如20.0 GHz、23.1 GHz、25.0 GHz等甲醇脉泽谱线, 这些脉泽线又通常与大质量恒星形成区成协, 搜寻该类脉泽也是重要的研究课题[1]。多波束接收系统可以大幅提升射电望远镜的巡天效率, 尽可能小的波束间隔保证了边沿波束的口径效率和方向图对称性, 但同时也对接收通道的小型化提出了较高的要求。上海65 m天马望远镜正在研制K波段7波束接收机, 其波束物理间隔仅为110 mm, 所以下变频系统将采用微波集成电路(Microwave Integrated Circuit, MIC)工艺。本文研究一个18~26.5 GHz的微带宽带滤波器结构, 它应用于K波段的集成下变频系统的第1级射频滤波, 实现射频信号的镜像抑制, 并抑制混频器的本振至链路系统的泄露。
图 1为K波段双波束接收机的系统架构图, 该接收机已在天马望远镜上使用。本文研究的K波段微带滤波器是应用于K波段7波束接收机的下变频系统, K波段双波束接收机的下变频系统是分立器件的组装, 结构比较大, 为了获得小型结构的下变频系统, 准备采用微波集成电路工艺设计K波段7波束接收机的下变频系统。
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| 图 1 K波段双波束接收机系统图 Figure 1 Diagram of K band dual beam receiver |
常见的宽带滤波器有:带枝节的多模环形滤波器、带阶梯阻抗谐振器(Stepped Impendence Resonator, SIR)的多模滤波器和其他类型的多模滤波器[2]。带枝节的多模环形滤波器具有陡峭的边带特性, 带阶梯阻抗谐振器的多模滤波器阻带衰减缓慢, 因设计需求是一个具有陡峭边带特性的宽带滤波器, 故本文采用带枝节的双模弯曲方环滤波器。
在方环谐振器直连馈线的带阻结构上加载短接线形成的宽带滤波器不存在耦合缝隙, 可以克服较大的插入损耗的缺陷[3]。
因本文设计的滤波器需要运用于K波段集成下变频系统, 为了便于集成, 需要在滤波器的输入输出进行一个共面波导转微带的接头(GSG pad)设计, 用于金丝线的架接。
1 带枝节的弯曲方环宽带带通滤波器正交直连馈线弯曲方环双模带阻滤波器如图 2, 没有耦合缝隙, 弯曲方环谐振器直连馈线。弯曲方环谐振器的周长计算公式:
| $ {L_{\rm{r}}} = n{\lambda _{\rm{g}}}, $ | (1) |
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| 图 2 正交直连馈线弯曲方环带阻滤波器 Figure 2 Bandstop filter using a meander ring resonator with direct-connected orthogonal feed lines |
其中, n为模式; λg为波导长度。该弯曲方环是双模带阻滤波器, 取n=2, 可以得到:
| $ {L_2} + 2{L_1}-2W = 2{\lambda _{\rm{g}}}. $ | (2) |
该滤波器按图 2虚线可以分成两个对称结构, 可用奇偶模理论进行分析, 分析的奇偶模等效电路如图 3。方环的特性阻抗是Z1, 输入输出的特性阻抗是Z0。
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| 图 3 带阻滤波器的奇偶模等效电路。(a)奇模等效电路; (b)偶模等效电路 Figure 3 Equivalent circuit of even-old-method of Bandstop Filter (a) Equivalent circuit of odd-method; (b) Equivalent circuit of even-method |
在正交直连馈线弯曲方环双模带阻滤波器上加载一对开路调节枝节, 可以得到一个宽带带通滤波器, 如图 4。开路调节枝节特性阻抗为Z2, 长度为λg/4。根据带枝节的正方环滤波器[4]的理论可以得知, 该滤波器的中心频率与方环周长和短路枝节的长度都有关系, 滤波的传输零点由特性阻抗比a=Z1/Z2决定[5]。当确定中心频率f0后, 可以通过调整特性阻抗比a=Z1/Z2的值获得想要的滤波器带宽。当a取0.5~3.3, 滤波器的3 dB相对带宽从32%~55%变化[5]。
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| 图 4 加载短截线的弯曲方环双模带通滤波器 Figure 4 Dual-mode bandpass filter using meander square loop with Two Tuning Stubs |
本文设计一个18~26.5 GHz带宽的带通滤波器。选择介质基板的相对介电常数为2.2, 厚度为0.254 mm。先设计双模弯曲方环形带阻滤波器, 为了方便设计, 这里取Z1=Z0=50 Ω, 根据(2)式计算得到L1=L2=2.1 mm, 然后进行仿真, 发现中心频率f0有一点偏离22.25 GHz, 然后再进行优化得到L1=L2=1.81 mm, 如图 5。
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| 图 5 L1=L2=2.1 mm以及L1=L2=1.81 mm的带阻滤波器仿真结果 Figure 5 Simulated results of bandstop filter of L1=L2=2.1 mm and L1=L2=1.81 mm |
中心频率除了和方环周长有关, 还和加载枝节的长度有关, 这里加载开路调节枝节长度为λg/4[6], 然后进行仿真优化设计, 得到L3=2.45 mm。本文设计18~26.5 GHz的滤波器, 中心频率是22.25 GHz, 进行仿真优化, 得到L1=L2=1.9 mm, L3=2.19 mm。特性阻抗比a=Z1/Z2的不同取值, 可以得到不同的带宽, 然后取a=1、2、3进行仿真, 仿真结果如图 6。最后优化得到W2=0.23 mm时, 18~26.5 GHz的1 dB带宽滤波器, 如图 7。
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| 图 6 a取不同值的仿真结果 Figure 6 Simulated results of different a |
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| 图 7 18~26.5 GHz的1 dB带宽滤波器的仿真结果 Figure 7 Simulated results of bandpass filter witch 1dB bandwidth is 18-26.5GHz |
该滤波器是为了应用在射频的集成下变频系统中, 因此在输入输出端口设计了共面波导结构, 用于金丝键架接。滤波器进行加工后的实物图如图 8, 仿真和测量结果如图 9。
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| 图 8 单环谐振器的滤波器实物图 Figure 8 Photograph of filter using one ring |
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| 图 9 单环谐振器的滤波器仿真和测量结果图 Figure 9 Measurement and simulation of filter using one ring |
由图 9可以得到, 测试结果和仿真结果的吻合度很高。测试结果为中心频率22.15 GHz, 3 dB带宽为42.8%, 在17.4 GHz~26.9 GHz频带内的回波损耗小于-20 dB, 插入损耗为-1.05 dB, 15.1 GHz~ 16 GHz和28.1 GHz~28.9 GHz的阻带抑制度大于35 dB。
由测试结果可知, 单环谐振器的滤波器, 它的边带不是特别陡峭, 同时带外抑制也不强, 为了获得比较强的带外抑制, 在这里增加一个方环形谐振器, 结构如图 10, 实物图如图 11。两个谐振器之间由λg/4的微带线进行级联。最后仿真优化确定级联的微带线长Lc=1.9 mm。仿真和测试结果如图 12。
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| 图 10 双环谐振器滤波器 Figure 10 Filter using two ring |
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| 图 11 双环谐振器的滤波器实物图 Figure 11 Photograph of filter using two ring |
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| 图 12 双环谐振器的滤波器仿真和测量结果图 Figure 12 Measurement and simulation of filter using two ring |
由图 12可以得到, 测试结果和仿真结果的吻合度很高。测试结果为中心频率22.1 GHz, 3 dB带宽为39.8%, 在17.7GHz~26.5 GHz频带内的回波损耗小于-14 dB, 插入损耗为-1.27 dB。12.8 GHz~15.3 GHz和27.9 GHz~30.6 GHz的阻带抑制度大于35 dB。
3 总结本文通过在正交直连馈线弯曲方环双模带阻滤波器上加载一对开路调节枝节设计得到带通滤波器, 设计了一个方环形谐振器滤波器和两个方环形谐振器滤波器, 输入输出为50 Ω馈线直连在弯曲方环谐振器上, 在输入输出的对角上加载短路枝节, 获得一个宽带滤波器。从仿真和测试结果看, 两个滤波器都满足设计要求, 其中两个方环形谐振器滤波器的带外抑制和边带陡峭度优于一个方环形谐振器滤波器, 但插入损耗和回波损耗却比一个方环形谐振器滤波器较差。
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