基于ADS的平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計

1、基于ADS的平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計摘要：本文介紹了平行耦合微帶線帶通濾波器的電路結(jié)構(gòu)，闡述了設(shè)計帶通濾波器的方法，最后給出了相對帶寬為10%的濾波器設(shè)計的實例及仿真分析結(jié)果，證明了該方法的可行性和便捷性。關(guān)鍵詞: ADS; 微帶線；帶通濾波器；優(yōu)化0 引言微帶濾波器具有小型化、高性能、低成本等優(yōu)點，在射頻電路系統(tǒng)設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用。其主要技術(shù)指標包括傳輸特性的插入損耗及回波損耗，通帶內(nèi)的相移與群時延，寄生通帶等參數(shù)。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是通過經(jīng)驗公式和查表來求得相關(guān)參數(shù)，方法繁瑣且精度不高。近年來，隨著射頻CAD軟件的不斷發(fā)展，微帶濾波器的設(shè)計也進入了一個全新的階段。借助CAD軟件可以避開

2、復(fù)雜的理論計算，進一步精確和調(diào)整設(shè)計參數(shù)，確保設(shè)計出的濾波器特性符合技術(shù)要求。本文通過ADS軟件對平行耦合微帶線帶通濾波器進行優(yōu)化仿真設(shè)計，證明了該方法的可行性和便捷性。1 微帶帶通濾波器的理論設(shè)計方法1.1 微帶帶通濾波器主要指標和基本設(shè)計思想微帶濾波器的主要技術(shù)指標包括以下幾個:(1) 通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏, 以及阻帶邊界頻率與阻帶衰減;(2) 通帶的輸入電壓駐波比;(3) 通帶內(nèi)的相移與群時延;(4) 寄生通帶, 它是由于分布參數(shù)傳輸線的周期性頻率特性引起的, 即離設(shè)計通帶一定處又產(chǎn)生了通帶。微波帶通濾波器應(yīng)用廣泛, 結(jié)構(gòu)多樣, 但以微帶線實現(xiàn)帶通濾波器的結(jié)構(gòu)種類有限, 為此,

3、本文以平行耦合微帶線為例來設(shè)計微帶帶通濾波器。由于單個帶通濾波器單元不能提供良好的濾波響應(yīng)及陡峭的通帶- 阻帶過渡, 而通過級連基本的帶通濾波器單元則可以得到高性能的濾波效果。圖1所示是一種多節(jié)耦合微帶線帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖, 這種結(jié)構(gòu)不要求對地連接, 因而結(jié)構(gòu)簡單, 易于實現(xiàn), 這是一種應(yīng)用廣泛的濾波器。整個電路可以印制在很薄(小于1mm) 的介質(zhì)基片上; 其縱向尺寸雖和工作波長可以比擬, 但采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基片則可使線上的波長比自由空間縮小幾倍; 此外, 整個微帶電路元件共用一個接地板, 且只需由導(dǎo)體帶條構(gòu)成電路圖形, 因而結(jié)構(gòu)大為緊湊, 大大減小了其體積和重量。多節(jié)耦合微帶線帶通濾

4、波器的結(jié)構(gòu)示意圖圖1 多節(jié)耦合微帶線帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖1.2 平行耦合微帶線帶通濾波器的理論設(shè)計方法1.2.1 平行耦合微帶通濾波器單元特性平行耦合微帶線帶通濾波器的基本單元如圖1 所示。每條微帶線的寬度為W，微帶之間的距離為S，相互耦合部分的長度為L。單個l/4 長平行耦合微帶線單元具有典型的帶通濾波器的特性，但不能提供良好的濾波器響應(yīng)及陡峭的通帶到阻帶的過渡。如果將多個耦合微帶線單元級聯(lián)可構(gòu)成高性能的帶通濾波器，具有良好的濾波特性。圖2 耦合微帶線基本單元1.2.2 設(shè)計步驟(1) 選擇標準低通濾波器參數(shù)。根據(jù)需要的衰減和波紋，通過查表選擇合適的標準低通濾波器參數(shù)(2) 根據(jù)上邊頻和下

5、邊頻，確定濾波器相對帶寬。(3) 根據(jù)相對帶寬確定耦合微帶線各節(jié)偶模和奇模的特性阻抗 (2) (3) （i從1到n-1） (4) (5) (6)其中下標i, i +1表示耦合段單元，取50，是濾波器輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗。(4) 確定微帶線的實際尺寸。根據(jù)得到的各節(jié)微帶線的奇模特性阻抗和偶模特性阻抗，傳統(tǒng)的方法是通過查表計算得到其幾何尺寸，本文是利用ADS自帶的LineCale工具計算其實際幾何尺寸。2 基于ADS的平行耦合微帶線帶通濾波器設(shè)計實例2.1 設(shè)計指標(1) 帶通濾波器中心頻率2GHz；(2) 通帶 1.9-2.1GHz；(3) 通帶內(nèi)衰減小于2dB，起伏小于1dB，端口反

6、射系數(shù)小于-15dB；(4) 1.7GHz 以下及2.3GHz 以上衰減大于20dB,通帶內(nèi)輸入駐波比小于2dB;(5) 微帶線基板的厚度選為0.8mm，基板的相對介電常數(shù)選為4.3。2.2 ADS的設(shè)計及優(yōu)化根據(jù)1.7GHz頻率點的衰減大于20dB的要求可以確定低通原型濾波器的階數(shù):首先將1.7GHz這個頻率轉(zhuǎn)換到歸一化低通形式（=1）： 這個值在圖上橫向標度是：， 查表得濾波器的階數(shù)=3,帶內(nèi)波紋為0.5 dB的Chebyshev濾波器原型參數(shù)為：1.5963, 1.0967, 1.5963，1.0000。利用公式(5)和(6)求出平行耦合微帶線的奇模、偶模特性阻抗，計算結(jié)果如表1 所示。

7、n10.313739.270.620.118744.856.630.118744.856.640.313739.270.6表1 耦合微帶線的奇模、偶模特性阻抗利用 ADS 軟件進行優(yōu)化設(shè)計，在ADS原理圖板塊中選擇Mcfil、MLIN 及MSUB 等元件模擬微帶線進行布局，并將其連接好，插入VAR變量控件、S參數(shù)仿真控件和Goal優(yōu)化控件，得到微帶線帶通濾波器的優(yōu)化原理圖如圖3所示。設(shè)置控件MSUB參數(shù)時，可選基片厚度0.8mm，介電常數(shù)4.3，磁導(dǎo)率為1，金屬電導(dǎo)率為5.88E+7，封裝高度1.0e+33mm,金屬層厚度0.03mm，損耗正切角為1e-4,表面粗糙度為0mm，濾波器兩邊的引出

8、線是50歐姆的微帶線，其寬度可利用ADS自帶的LineCale工具計算得出。設(shè)計過程主要以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標進行優(yōu)化仿真，選取了四個優(yōu)化目標，其中可用來優(yōu)化通帶、阻帶的衰減，優(yōu)化參數(shù)主要用來優(yōu)化通帶內(nèi)的反射系數(shù)，設(shè)計時用變量代替各耦合單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后用隨機法進行全局優(yōu)化。圖3 耦合微帶線帶通濾波器優(yōu)化原理圖其中微帶線的初始尺寸可由ADS自帶的LineCale計算工具得到，并以此數(shù)據(jù)為初值進行優(yōu)化，參數(shù)如表2所示。nW(mm)S(mm)L(mm)1，41.2960.23221.3922，31.4750.91220.925表2 微帶線結(jié)構(gòu)參數(shù)2.3 仿真結(jié)果與分析由原理圖產(chǎn)生的仿真曲線

9、初始不能滿足指標要求，利用ADS 進行多次全局優(yōu)化后，得到的仿真曲線如圖2所示。由圖3可知，插入損耗S21曲線在1.7GHz、1.9GHz、2.1GHz和2.3GHz 處的數(shù)據(jù)都滿足技術(shù)指標。由圖4可見，在濾波器通帶內(nèi)的群延時隨頻率變化很小，說明濾波器具有很好的群延時特性。由圖5可見，通帶內(nèi)濾波器的輸入駐波比很小，滿足設(shè)計要求。圖3 優(yōu)化后濾波器的插入損耗和回波損耗 圖5 濾波器的輸入駐波比 圖4 群延時響應(yīng)2.4 版圖的生成及矩量法仿真微帶濾波器實際電路的性能與原理圖仿真的結(jié)果可能有很大的差別。利用ADS軟件的矩量法可以進行版圖仿真，仿真后才能進行電路板的制作。由原理圖生成的版圖如圖6所示，

10、利用矩量法仿真，得到的S參數(shù)變化曲線如圖7所示。版圖仿真結(jié)果表明，其結(jié)果比原理圖仿真更加準確(通帶到阻帶的過渡更加陡峭)，可將其作為對原理圖設(shè)計的驗證。如果兩者相差較大，必須回到原理圖中重新調(diào)整微帶線的結(jié)構(gòu)參數(shù)并優(yōu)化，直到版圖仿真符合要求為止。圖6 原理圖生成版圖圖7 版圖仿真曲線3 結(jié)論本文介紹了基于ADS設(shè)計耦合微帶線帶通濾波器的方法，傳統(tǒng)設(shè)計方法因為需要查表及曲線擬合來完成，工作量大，而且設(shè)計精度不高。文中通過利用ADS軟件對平行耦合微帶線帶通濾波器進行優(yōu)化仿真設(shè)計的實例，證明了該方法的可行性和便捷性。簡化了設(shè)計，提高精度，降低成本。對高性能濾波器的設(shè)計具有重要的實用價值。參考文獻1 Reinhold Ludwing and Pavel Bretchko, RF Circuit Design: Theory and Applications, Publishing House of Electronics Industry, 2010. 2 David M. Poar, Microwave Eng