基于平衡技術(shù)的微帶低通濾波器版圖優(yōu)化設(shè)計

摘要：微帶線結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，使反射損耗和插入損耗較大，影響濾波器性能。利用平衡法提升濾波器并聯(lián)分支中較低的特性阻抗，達(dá)到降低微帶線寬度的目的，從而均衡整個濾波器的寬度，使版圖仿真優(yōu)化。以一個5階切比雪夫微帶低通濾波器設(shè)計為例，仿真結(jié)果表明，濾波器通帶內(nèi)反射損耗從-9．566 dB降低到-15．837 dB，插入損耗從0．679 dB降低到0．322 dB，與直接采用Richards變換和Kuroda規(guī)則設(shè)計微帶低通濾波器相比，該方法能縮短濾波器設(shè)計周期，獲得滿意的濾波器性能。
關(guān)鍵詞：低通濾波器；微帶線；平衡技術(shù)；版圖優(yōu)化

    微帶濾波器是無線通信的重要部件。隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，加速了微帶濾波器的研究進(jìn)程，發(fā)明許多Q值適中、重量輕、穩(wěn)定性好的微帶濾波器。計算機(jī)輔助設(shè)計軟件的出現(xiàn)，使設(shè)計者在設(shè)計過程中避免繁雜的計算過程，提高復(fù)雜電路設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期。設(shè)計者通常運(yùn)用Richards變換與Kuroda規(guī)則設(shè)計微帶低通濾波器。該方法設(shè)計的濾波器在接頭處會由于相鄰耦合線線寬不同產(chǎn)生不連續(xù)性，使插入損耗較大，不滿足一些射頻通信的要求。為了解決此問題，采用電磁帶隙結(jié)構(gòu)與高低阻抗線結(jié)合的方法，改善了通帶性能，但阻帶性能變差，體積變大。運(yùn)用分形技術(shù)設(shè)計高低阻抗濾波器取得了一定的效果，但設(shè)計方法復(fù)雜，對于加工精度要求較高。
    本文提出一種采用平衡技術(shù)優(yōu)化微帶低通濾波器版圖的方法，并以5節(jié)切比雪夫微帶低通濾波器為例，通過在低特性阻抗并聯(lián)傳輸線節(jié)點(diǎn)處再并聯(lián)相同長度的微帶線，修改兩條微帶線特性阻抗為原來的兩倍達(dá)到優(yōu)化版圖的目的。原理圖仿真和版圖仿真均驗(yàn)證了該方法的可行性。該方法簡單易行，只需使用ADS軟件就能方便修改，并且可以用于帶阻濾波器等其他微帶結(jié)構(gòu)的濾波器，具有良好的應(yīng)用前景。

1 平衡技術(shù)設(shè)計原理
    使用Richards變換和Kuroda規(guī)則設(shè)計微帶濾波器，所得串并聯(lián)傳輸線長度理論上是相同的。選取各支節(jié)傳輸線長度l為截止頻率下波長的1／8，由終端開路傳輸線阻抗分布表達(dá)式：
    Zin(l)=-jZ0tanβ1      (1)
    式中：傳播常數(shù)β=2π／λ；Z0為特性阻抗。將1=λ／8帶入式(1)可得：
    Zin(l)=-jZ0          (2)
    若傳輸線長度l保持不變，使兩條特性阻抗Z0相同長度l相等的終端開路傳輸線并聯(lián)于同一點(diǎn)，則其輸入阻抗會減半為Z0／2；反之，將兩段并聯(lián)終端開路傳輸線特性阻抗提高1倍并聯(lián)于同一點(diǎn)且保持傳輸線長度l不變，則輸入阻抗保持不變?yōu)閆0。
    由以上推導(dǎo)可知，用平衡技術(shù)修改濾波器并聯(lián)終端開路傳輸線不影響各節(jié)的輸入阻抗。

2 用Richards變換、Kuroda規(guī)則設(shè)計微帶低通濾波器
    由于當(dāng)頻率較高時電感和電容應(yīng)選的元件值過小，由于寄生參數(shù)的影響，如此小的電感和電容已經(jīng)不能再使用集中參數(shù)元件并且工作波長與濾波器元件的物理尺寸相近，濾波器元件之間的距離不可忽視，需要考慮分布參數(shù)效應(yīng)?；谝陨显颍O(shè)計者先設(shè)計出有電感、電容組成的集中參數(shù)濾波器，然后運(yùn)用Richards變換和Kuroda規(guī)則轉(zhuǎn)換為合適的微帶濾波器結(jié)構(gòu)。
    本文設(shè)計的微帶低通濾波器指標(biāo)如下：
    截止頻率為f0=3 GHz，通帶內(nèi)波紋為0．5 dB，在2倍截止頻率處具有不小于40 dB的帶外衰減，輸入／輸出阻抗為50 Ω?；搴穸菻=0．762 mm，基板相對介電常數(shù)Er=3．66，磁導(dǎo)率μ=1 H／M，金屬電導(dǎo)率為5．88 mS／m，封裝高度Hu=1．0+33 mm，金屬層厚度T=0．035 mm。
    通過計算選用5階切比雪夫微帶低通濾波器模型進(jìn)行設(shè)計。電路原理及其仿真結(jié)果如圖1所示。

    由圖可以看出串聯(lián)和并聯(lián)的微帶線長度均為λ／8，而寬度與特性阻抗大小相關(guān)。
    由于原理圖仿真是在理想條件下進(jìn)行的，而實(shí)際的電路板需要考慮耦合和干擾等因素的影響。ADS版圖仿真是采用矩量法進(jìn)行電磁仿真，對版圖的仿真結(jié)果更符合電路實(shí)際情況。圖1所示的濾波器原理圖對應(yīng)的版圖結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 用平衡技術(shù)設(shè)計微帶低通濾波器
    由于微帶傳輸線的特性阻抗越高，傳輸線的寬度就越窄。反之，阻抗越低，寬度就越寬。從第2節(jié)中的濾波器原理圖可看出，TL3和TL5兩段并聯(lián)的微帶線，他們的寬度比較寬即特性阻抗偏大，使用平衡技術(shù)，在TL3并聯(lián)點(diǎn)處再并聯(lián)一根相同長度的終端開路微帶線，將兩根線的特性阻抗擴(kuò)大為原來的2倍，并運(yùn)用ADS軟件中的LineCalc工具推算出線的寬度W。對于TL5用同樣的方法設(shè)計。電路原理及仿真結(jié)果如圖3所示。

    圖3所示的濾波器原理圖對應(yīng)的版圖結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    由圖1和圖3的原理圖仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化前的反射損耗，插入損耗與優(yōu)化后的數(shù)值幾乎相同。這與使用平衡技術(shù)修改原理圖后不改變原有濾波器阻抗的結(jié)論相一致。
    由圖2和圖4的版圖仿真結(jié)果可以看出，通帶內(nèi)反射損耗由-9．566 dB降低到-15．837 dB，插入損耗由0．679 dB降低到0．322 dB。
    可以看出，運(yùn)用平衡技術(shù)均衡微帶低通濾波器微帶線寬度后，使通帶內(nèi)反射損耗明顯改善，插入損耗明顯降低，達(dá)到了性能指標(biāo)。證明了該方法的有效性。

4 結(jié)語
    本文提出一種用平衡技術(shù)優(yōu)化微帶低通濾波器版圖的方法，討論了平衡技術(shù)的設(shè)計原理，并以一個5階切比雪夫微帶低通濾波器設(shè)計為例，仿真結(jié)果表明此濾波器版圖仿真性能優(yōu)于傳統(tǒng)方法設(shè)計的微帶濾波器。該方法簡單易行，只需使用ADS軟件就能方便修改，并且可以用于帶阻濾波器等其他微帶結(jié)構(gòu)的濾波器，有效地縮短了設(shè)計周期，具有良好的應(yīng)用前景。