基于ADS的平行耦合帶通濾波器的設(shè)計(jì)

摘要：文中介紹了設(shè)計(jì)平行耦合帶通濾波器的方法和流程，以相對帶寬為9%的平行耦合濾波器為例闡述了具體設(shè)計(jì)過程，并對濾波器設(shè)計(jì)工程中原理圖與版圖仿真結(jié)果的差異進(jìn)行分析對比，給出具體的調(diào)試解決方案。借助于射頻微波EDA工具ADS2008進(jìn)行優(yōu)化仿真，高效地完成了帶通濾波器的設(shè)計(jì)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

　　關(guān)鍵詞：帶通濾波器;ADS軟件;平行耦合微帶線

　　引言

　　濾波器的基礎(chǔ)是諧振電路，它是一個二端口網(wǎng)絡(luò)，對通帶內(nèi)的頻率信號呈現(xiàn)匹配傳輸，對阻帶頻率信號失配而進(jìn)行發(fā)射衰減，從而實(shí)現(xiàn)信號頻譜過濾功能。微波帶通濾波器在無線通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，尤其是在接收機(jī)前端。濾波器性能的優(yōu)劣直接影響到整個接收機(jī)性能的好壞，它不僅起到頻帶和信道選擇的作用，而且還能濾除諧波，抑制雜散[1]。平行耦合微帶線濾波器是一種分布參數(shù)濾波器，它是由微帶線或耦合微帶線組成，其具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、價格低、可靠性高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此在微波集成電路中，它是一種被廣為應(yīng)用的帶通濾波器[2~4]。

　　在以往設(shè)計(jì)各種濾波器時，往往需要根據(jù)大量復(fù)雜的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算及查表來確定濾波器的各級參數(shù)，這樣的方法不但復(fù)雜繁瑣，而且所設(shè)計(jì)濾波器往往性能指標(biāo)難以達(dá)到要求。本文將先進(jìn)的微波電路仿真軟件ADS2008與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相結(jié)合設(shè)計(jì)一個平行耦合微帶線濾波器，并進(jìn)行建模、仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　平行耦合微帶線帶通濾波器

　　邊緣耦合的平行耦合線由兩條相互平行且靠近的微帶線構(gòu)成，單個帶通濾波器單元如圖1(a)所示。根據(jù)傳輸線理論及帶通濾波器理論，帶通濾波元件是由串臂上的諧振器和并臂上的諧振器來完成，但是在微帶上實(shí)現(xiàn)相間的串聯(lián)和并聯(lián)諧振元件尤為困難，為此可采用倒置轉(zhuǎn)換器將串并聯(lián)電路轉(zhuǎn)化為諧振元件全部串聯(lián)或全部并聯(lián)在線上[2]。因此，單個耦合微帶濾波器單元能夠等效成如圖 1 (b)所示的一個導(dǎo)納倒置轉(zhuǎn)換器和接在兩邊傳輸線段的組合[5~8]。

　這種單獨(dú)耦合線節(jié)單元雖然具有典型的帶通濾波器的特性，但是單個帶通濾波單元難以具有良好的濾波器響應(yīng)及陡峭的通帶—阻帶過度。因此，通常情況下，采取級聯(lián)多個這些基本耦合單元來構(gòu)成實(shí)用的濾波器。如圖2所示為一級聯(lián)耦合微帶線節(jié)單元構(gòu)成的帶通濾波器的典型結(jié)構(gòu)，其每一個耦合線節(jié)左右對稱，長度約為四分之一波長(對中心頻率而言)。帶通濾波器有N + 1個圖1所示的耦合線帶通濾波器單元構(gòu)成，而每一段耦合線又可等效為如圖1(b)所示的電路結(jié)構(gòu)，因此導(dǎo)納倒置轉(zhuǎn)換器之間為特性阻抗為Z0、電角度為2θ的傳輸線段。Z0o與Z0e分別為耦合線的奇模與偶模特性阻抗，并可由下列公式確定[2]：
 

　　BW為帶通濾波器的相對帶寬，g為標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)，Z0為濾波器輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗，下標(biāo)i，i+1表示如圖2所示的耦合段單元。

　　平行耦合帶通濾波器設(shè)計(jì)

　　為設(shè)計(jì)出符合要求的帶通濾波器，可以將傳統(tǒng)的平行耦合微帶線設(shè)計(jì)方法與先進(jìn)的微波電路仿真軟件ADS2008相結(jié)合，使全部設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)換成實(shí)際的濾波器設(shè)計(jì)，圖3是平行耦合微帶線濾波器的設(shè)計(jì)的流程圖。

        所設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)指標(biāo)如下：濾波器中心頻率ω0 (ω0=(ωH+ωL)/2)為2.1GHz，相對帶寬9%;在ω為1.8GHz及2.4GHz時衰減大于35dB，帶內(nèi)波紋為0.1dB，微帶線特性阻抗Z0為50 W。

　　(1)首先根據(jù)濾波器參數(shù)指標(biāo)，計(jì)算出濾波器低通歸一化頻率 ，查切比雪夫?yàn)V波器衰減特性表得濾波器級數(shù)N，同時查切比雪夫?yàn)V波器元件參數(shù)表可知具有帶內(nèi)波紋0.1dB的6階切比雪夫標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)g0=g6=1，g1=g5=1.1468，g2=g4=1.3712，g3=1.9750。

　　(2)根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)要求得到濾波器帶寬，從而根據(jù)公式(1)，(2)得到參數(shù)Ji,i+1和奇偶模阻抗的值如表1所示。

(3)選定電路板材參數(shù)如下：厚度h為0.5mm，介電常數(shù) 為4.2，相對磁導(dǎo)率Mur為1，電導(dǎo)率Cond為5.88E+7，金屬層厚度為0.03mm。使用ADS中的計(jì)算工具LineCalc計(jì)算微帶線的寬度W、間距S和長度L。由此得到的各耦合段物理尺寸參數(shù)如表2所示。

　　(4)原理圖的仿真優(yōu)化。將上述結(jié)構(gòu)尺寸輸入ADS中，并設(shè)置介質(zhì)參數(shù)和掃頻參數(shù)，進(jìn)行原理圖仿真，其仿真結(jié)果如圖4所示，可見中心頻率出現(xiàn)了明顯的偏移現(xiàn)象。這是由于在設(shè)計(jì)平行耦合微帶帶通濾波器時沒有考慮邊緣場效應(yīng)的影響，為此需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化控制器參數(shù)。

　　事實(shí)上實(shí)際值比設(shè)計(jì)值偏低的主要原因是耦合單元微帶線開路端邊緣效應(yīng)的影響。對于開路端微帶線 , 通常將其邊緣效應(yīng)等效為一個電容件，而這個等效電容又可以為一段附加的一定長度的傳輸線所代替。解決此問題可以利用ADS的優(yōu)化功能，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖5所示，優(yōu)化原理圖如圖6所示。

　　(5)微帶濾波器的實(shí)際電路是由電路板和微帶線構(gòu)成行計(jì)算得出的, 實(shí)際電路的性能可能會與原理仿真圖的結(jié)果有很大的差別。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進(jìn)行仿真，其結(jié)果比在原理圖中仿真更加準(zhǔn)確。因此，可以將原理圖生成版圖進(jìn)行矩量法(Momentm)仿真。矩量法仿真結(jié)果如圖7所示。

　　仿真得到的曲線不能滿足指標(biāo)要求，那么要重新回到原理圖窗口進(jìn)行優(yōu)化仿真，產(chǎn)生這種情況的原因是相鄰耦合線節(jié)間的線寬相差過大或者其他參數(shù)取值不適合，這些可以改變優(yōu)化變量的初值，也可以根據(jù)曲線與指標(biāo)的差別情況適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)側(cè)參數(shù)，重新進(jìn)行優(yōu)化。

　　(6)平行耦合帶通濾波器調(diào)試與制作

　　將設(shè)計(jì)的平行耦合帶通濾波器制成印刷電路板，然后用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試微帶濾波器實(shí)際電路。調(diào)試系統(tǒng)方框圖如圖8所示。

　　需要調(diào)試的參數(shù)主要有以下幾個：輸入輸出端口的反射參數(shù)S11，S22;通帶內(nèi)衰減和阻帶內(nèi)衰減S21。S12;群延時[9~10]。通過對以上參數(shù)的測量就可以得到微帶濾波器的各項(xiàng)參數(shù)。測量完成后，觀察網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量結(jié)果是否達(dá)到指標(biāo)要求，并把結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果相比較。如果測試結(jié)果與設(shè)計(jì)要求相差過多，則需要對電路進(jìn)行調(diào)整，直至重新進(jìn)行設(shè)計(jì)、制板。

　　結(jié)語

　　本文以平行耦合微帶線帶通濾波器原理為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)方法與利用微波電路仿真工具設(shè)計(jì)濾波器的方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一個相對帶寬為9%的平行耦合帶通濾波器，并給出仿真結(jié)果，同時對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明利用這種方法設(shè)計(jì)的平行耦合帶通濾波器達(dá)到了要求的指標(biāo)，同時使得設(shè)計(jì)工作量大大減少，精度及效率提高。