一种集成滤波器的带状线天线馈电网络设计

中国电子科技集团公司第五十四研究所 卢 炜 刘松涛

中国电子科技集团公司第五十五研究所 杨 锴

本文介绍了一种用于Ku频段卫星通信天线的带状线天线馈电网络的设计，采用带阻滤波器抑制了发射信号对接收通道的干扰，滤波器结构简单、尺寸可调整、易于集成。馈电网络厚度仅0.6mm，非常适合低剖面天线应用需求。

滤波器和功分网络是天馈系统中最常用到的两种功能部件，尤其在阵列天线系统中几乎必不可少，滤波器作为通信系统中提高收发信道隔离度的器件尤其重要。传统的设计方案是将滤波器与功分网络独立设计，通过连接器、电缆或其他接口形式将两者相连接，该种设计方案在对天馈系统尺寸要求宽松的情况下适用，但当天馈系统要求低剖面时则并不适用，需要综合考虑将两者功能集成化设计。

文章介绍了一种可应用于卫星通信Ku频段的带状线滤波功分网络，基于Ku频段卫星通信阵列天线的应用，针对地面产品发射上行信号对下行接收频段的抑制需求进行了研制，可有效地消除上行发射信号对下行接收信号的干扰，同时兼顾设备小型化低剖面的要求，设计了一种尺寸可灵活排布的滤波器形式，将滤波功能集成于天线馈电网络中，并通过微波仿真软件ADS和HFSS进行了验证。该Ku频段带状线滤波功分网络可实现如下指标要求：（1）实现1分4功能带状线馈电网络；（2）通带频率（发射上行）为13.75GHz～14.5GHz，通带损耗 ≤ 9dB；（3）阻带频率（接收下行）为11.45GHz～12.75GHz，阻带抑制度 ≥ 40dB；（4）馈电网络面积尺寸≤65mm×7.5mm，厚度≤1mm。

1 带状线滤波器设计

相比于微带线或波导馈电网络，基于多层印制板技术设计的带状线馈线网络具有尺寸薄、重量轻等优势，且带状线本身屏蔽性良好、受外界干扰小，非常适用于低剖面小型化要求的天馈网络。考虑到应用场景通常需求天线馈电网络实现低剖面、小型化的设计要求，采用基于带状线的平面电路方案非常适合本设计。

平面电路滤波器有几种经典形式，其中平行耦合线滤波器、发夹滤波器、交指滤波器三种形式的带通滤波器因制作简单、结构紧凑、易集成等特点在平面印制板微带或带状线电路设计中得到了广泛的应用。但由于该三种滤波器均是通过谐振器间的耦合臂相互耦合的形式实现，而耦合臂的长度通常为λ0/4（λ0为滤波器中心频率在传输线中的介质波长），其长短对滤波器性能影响极大，尺寸不合适则会引起频偏或驻波变差，很难与排布紧凑、尺寸局限性较大的天线馈电网络电路集成在一起，因此应寻求一种不受平行耦合臂限制的形式，而采用半圆形谐振器组成的带阻滤波器可以满足尺寸设计要求。

半圆形谐振器由一个U形半圆环外加输入、输出2个馈电抽头组成，设计时首先应选择合适的印制板材料并建立ADS仿真模型进行初步仿真。本设计中印制板选用了介电常数2.94、厚度0.254mm的TSM-DS3M材料，由2块0.254mm的印制板压合组成带状线，考虑到中间半固化黏合片的厚度约0.1mm，整个带状线的厚度约为0.254×2+0.1≈0.6mm。半圆形谐振器的谐振点f0（对应波长为λ0）主要由半圆环长度决定，当半圆环长度为3/4×λ0，且输入、输出抽头位置分别在距离圆环两端λ0/4位置时，可在频点f0处产生陷波且陷波外的通带平坦度良好。

将多个谐振器级联后即可得到带阻滤波器，图1所示的滤波器采用了三级谐振器组成，图2为其仿真结果，此时通带频率平坦，对要求的阻带频率抑制大于28dB。实际版图布局时，可根据版图尺寸空间折叠每节谐振器的U型线，只要保证半圆环各节长度与折叠后长度基本一致，则滤波器性能不会有明显变化。

图1 利用ADS进行带阻滤波器仿真建模

图2 带阻滤波器频率特性仿真图

2 带状线滤波馈电网络设计

本设计应用于天线馈电网络，馈电网络常用形式为T型节，通过3个T型节可组成1分4馈电网络，在其间穿插带阻滤波器并依照天线位置合理布局即可组成具有滤波功能的滤波馈电网络。前述滤波器阻带抑制度仿真结果为28dB，为达到40dB抑制度要求，应增加谐振器数量或再额外串入一滤波器。

根据给定面积尺寸及天线接口位置进行走线排布，在1分4网络的合路及2分路处分别添加一组滤波器，以满足抑制要求，每节谐振器的U型线根据空间尺寸进行折叠调整，并采用计算更为精确的场仿真软件HFSS进行建模仿真；同时，为防止加工误差带来的频带偏移，设计时将通道向低频端进行了一定的扩展。集成了滤波器的1分4馈电网络模型如图3所示，仿真结果如图4所示。

图3 利用HFSS进行滤波馈电网络仿真建模

图4 滤波馈电网络频率特性仿真图

仿真结果显示，发射频段通带最大损耗为8.6dB（含6dB分配损耗），对接收频段抑制度为56.7-8.6=48.1dB，满足40dB抑制要求，模型尺寸62mm×7.2mm，厚度仅0.6mm，满足低剖面设计要求。

结论：本文基于卫星通信阵列天线的应用，针对地面产品发射上行信号对下行接收频段的抑制需求研制了一种集成滤波器的带状线天线馈电网络，该网络工作于卫星通信Ku频段，可有效的消除上行发射信号对下行接收信号的干扰，仿真设计值满足指标要求。