濾波器是用來分離不同頻率信號的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號， 使其不能通過濾波器， 只讓需要的信號通過。在微波電路系統(tǒng)中， 濾波器的性能對電路的性能指標有很大的影響，因此如何設(shè)計出一個具有高性能的濾波器，對設(shè)計微波電路系統(tǒng)具有很重要的意義。微帶電路具有體積小， 重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點， 近年來在微波電路系統(tǒng)應(yīng)用廣泛， 其中用微帶做濾波器是其主要應(yīng)用之一。平行耦合微帶線帶通濾波器在微波集成電路中是被廣為應(yīng)用的帶通濾波器。

1  基本原理

當(dāng) 兩個無屏蔽的傳輸線緊靠一起時， 由于傳輸線之間電磁場的相互作用，在傳輸線之間會有功率耦合， 這種傳輸線稱之為耦合傳輸線。根據(jù)傳輸線理論， 每條單獨的微帶線都等價為小段串聯(lián)電感和小段并聯(lián)電容。每條微帶線的特性阻抗為Z 0， 相互耦合的部分長度為L， 微帶線的寬度為W， 微帶線之間的距離為S， 偶模特性阻抗為Z e， 奇模特性阻抗為Z0。單個微帶線單元雖然具有濾波特性， 但其不能提供陡峭的通帶到阻帶的過渡。

如果將多個單元級聯(lián)， 級聯(lián)后的網(wǎng)絡(luò)可以具有良好的濾波特性。



圖1  5級耦合微帶線帶通濾波器

2  設(shè)計步驟

2. 1  設(shè)計低通原型

根據(jù)帶通濾波器的一系列參數(shù)通過頻率變換和查表選擇低通原型濾波器的歸一化原型參量。

用ω1 和ω2 表示帶通濾波器的下邊界和上邊界，ω0表示中心頻率。將帶通濾波器變換為低通原型。



歸一化帶寬：



查表得到歸一化設(shè)計參數(shù)g1， g2. . . gN gN + 1。

2. 2  計算各節(jié)偶模和奇模的特性阻抗設(shè)計

用g1， g2. . . gN gN + 1和BW 確定帶通濾波器電路中的設(shè)計參數(shù)耦合傳輸線的奇模和偶模的特性阻抗:



2. 3  計算微帶線的幾何尺寸

根據(jù)微帶線的偶模和奇模阻抗， 按照給定的微帶線路板的參數(shù)，使用ADS 中的微帶線計算器L ineC alc計算得到微帶線的幾何尺寸W， S， L。

2. 4  仿真及優(yōu)化

連接好電路， 將計算出的W， S， L 輸入， 掃描參數(shù)為S11， S21，進行仿真。一般來說用理論值的得到仿真結(jié)果和實際想要得到結(jié)果有出入， 這就需要進行優(yōu)化。我們可以用ADS中的Opt im 工具來進行多次的優(yōu)化直到達到預(yù)定的設(shè)計要求。

3  設(shè)計實例

設(shè)計指標: 中心頻率f 0 為2. 6 GHz， 帶寬200MH z， 在f = 2. 8 GH z及2. 4 GHz上衰減不小于40 dB， 通帶內(nèi)紋波3 dB， 輸入輸出特性阻抗均為50 。

微帶電路板的參數(shù)如下: 厚度H = 0. 4mm， 介質(zhì)相對介電常數(shù)為E r = 3. 66， 相對磁導(dǎo)率為Mur= 1，金屬層厚度T = 0. 03mm， 損耗正切角TanD = 0。

根據(jù)設(shè)計的指標及式( 1) 我們選用n = 5 的3 dB紋波切比雪夫低通原型。查表求得低通濾波器原型的原件取值為:

g0 = g6 = 1, g1 = g5 = 3. 481 7, g2 = g4 = 0. 761 8,g3 = 4. 538 1

由式( 3)得:



計算平行耦合線的W， S， L， 由ADS中的L ineC alc得到。

表1  各節(jié)耦合微帶線的尺寸單位: mm





圖2  ADS L inecalc模塊。

將上述的結(jié)構(gòu)尺寸輸入ADS中并設(shè)置微帶電路板的參數(shù)和S參數(shù)的頻率掃描范圍進行原理圖仿真。

以下圖3是理論計算值的仿真原理圖， 圖4是仿真結(jié)果。


圖3  微帶線帶通濾波器設(shè)計原理圖。


圖4  傳輸、反射系數(shù)仿真曲線圖。

經(jīng) 過分析仿真結(jié)果出現(xiàn)了中心頻率點偏移的， 并且通帶內(nèi)的反射系數(shù)較大， 在2. 4 GH z上衰減沒有達到要求，因此需要對其進行優(yōu)化。優(yōu)化時要注意: 耦合線的W， S， L 不要設(shè)為具體的值， 而是要有各個變量來代替， 因為這些參數(shù)就是優(yōu)化的目標。變量的設(shè)置要需要借助變量控件VAR來完成， 在VAR中要設(shè)置合理的數(shù)據(jù)范圍。優(yōu)化還需要Optim 控件和目標控件Goa，l 將Opt im 控件中的M axlters的值該為100， 增加優(yōu)化次數(shù)。根據(jù)我們的設(shè)計要求設(shè)置四個Goal控件。依次分別為: 優(yōu)化通帶內(nèi)的S ( 2， 1)、優(yōu)化通帶內(nèi)的S ( 1， 1) (優(yōu)化通帶內(nèi)的反射系數(shù))、優(yōu)化低端阻帶內(nèi)的S ( 2， 1) (設(shè)定2. 4 GH z以下達到40 dB衰減)和優(yōu)化高端阻帶內(nèi)的S ( 2， 1) (設(shè)定2. 8 GH z以上衰減達到40 dB)。如果一次優(yōu)化不能滿足設(shè)計指標的要求，則需要再改變變量的取值范圍， 進行重新優(yōu)化， 直到滿足要求為止。

圖5為優(yōu)化原理圖， 圖6是優(yōu)化后生成的仿真結(jié)果。由圖6 中可以看到f = 2. 6 GHz時， S ( 2， 1) =- 0. 113 dB， f= 2. 8 GH z和f = 2. 4 GH z時衰減都大于40 dB， 反射系數(shù)也比較理想， 各項基本滿足設(shè)計要求。

微帶濾波器的實際電路是由實際電路板和微帶線構(gòu)成的， 實際電路的性能可能會與原理圖仿真的結(jié)果會有很大的差別。因此， 需要在ADS中對版圖進行進一步的仿真之后才能進行電路板的制作。首先我們要生成版圖， 由優(yōu)化后的原理圖生成的版圖如圖7所示。

接著我們對電路版圖進行矩量法Momen tum 仿真， 仿真結(jié)果如圖8。由圖8可以看出版圖仿真得到的曲線滿足指標要求。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算，考慮了實際因素， 其結(jié)果比在原理圖中仿真更加真實。


圖5  微帶線帶通濾波器優(yōu)化原理圖


圖6  優(yōu)化后的S 參數(shù)曲線圖。


圖7  微帶版圖。



圖8  微帶版圖仿真曲線。

4  結(jié)論

本文從耦合微帶線的基本理論出發(fā)， 完整的闡述一種利用ADS 來進行微帶帶通濾波器的設(shè)計方法，并設(shè)計出了一個達到預(yù)期的微帶帶通濾波器。

利用ADS軟件可以大大減少工程師的工作量， 并且能提高效率， 降低成本。