張福洪，張振強(qiáng)，馬佳佳

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，杭州 310018)

濾波器是用來(lái)分離不同頻率信號(hào)的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號(hào)， 使其不能通過(guò)濾波器， 只讓需要的信號(hào)通過(guò)。在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對(duì)電路的性能指標(biāo)有很大的影響，因此如何設(shè)計(jì)出一個(gè)具有高性能的濾波器，對(duì)設(shè)計(jì)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(diǎn)，近年來(lái)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[ 1]

當(dāng)兩個(gè)無(wú)屏蔽的傳輸線緊靠一起時(shí)，由于傳輸線之間電磁場(chǎng)的相互作用，在傳輸線之間會(huì)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(dú)的微帶線都等價(jià)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Z0，相互耦合的部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)，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Ze，奇模特性阻抗為Z0。單個(gè)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(guò)渡。如果將多個(gè)單元級(jí)聯(lián)，級(jí)聯(lián)后的網(wǎng)絡(luò)可以具有良好的濾波特性。

圖1 5級(jí)耦合微帶線帶通濾波器[2]

2 設(shè)計(jì)步驟

2.1 設(shè)計(jì)低通原型

根據(jù)帶通濾波器的一系列參數(shù)通過(guò)頻率變換和查表選擇低通原型濾波器的歸一化原型參量[3]。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[5]。

歸一化帶寬

查表得到歸一化設(shè)計(jì)參數(shù)g1， g2...gNgN+1。

2.2 計(jì)算各節(jié)偶模和奇模的特性阻抗設(shè)計(jì)

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

2.3 計(jì)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(jì)算器LineCalc計(jì)算得到微帶線的幾何尺寸W， S， L。

2.4 仿真及優(yōu)化[ 4]

連接好電路，將計(jì)算出的W， S， L輸入，掃描參數(shù)為S11， S21，進(jìn)行仿真。一般來(lái)說(shuō)用理論值的得到仿真結(jié)果和實(shí)際想要得到結(jié)果有出入，這就需要進(jìn)行優(yōu)化。我們可以用ADS中的Optim工具來(lái)進(jìn)行多次的優(yōu)化直到達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì) 指 標(biāo)：中 心 頻 率 f0為 2.6 GHz， 帶 寬200 MHz，在f=2.8 GHz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 Ω。

微帶電路板的參數(shù)如下：厚度H=0.4 mm[8]，介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)為Er=3.66，相對(duì)磁導(dǎo)率為Mur=1，金屬層厚度T=0.03 mm，損耗正切角TanD=0。

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

由式(3)得：

計(jì)算平行耦合線的W， S， L，由ADS中的Line-Calc得到。

表1 各節(jié)耦合微帶線的尺寸 單位：mm

圖2 ADSLinecalc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(jìn)行原理圖仿真。以下圖3是理論計(jì)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(jì)原理圖

圖4 傳輸、反射系數(shù)仿真曲線圖

經(jīng)過(guò)分析仿真結(jié)果出現(xiàn)了中心頻率點(diǎn)偏移的，并且通帶內(nèi)的反射系數(shù)較大，在2.4 GHz上衰減沒(méi)有達(dá)到要求，因此需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化時(shí)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(gè)變量來(lái)代替[6]，因?yàn)檫@些參數(shù)就是優(yōu)化的目標(biāo)。變量的設(shè)置要需要借助變量控件VAR來(lái)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(biāo)控件Goal，將Optim控件中的Maxlters的值該為100，增加優(yōu)化次數(shù)。根據(jù)我們的設(shè)計(jì)要求設(shè)置四個(gè)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 GHz以下達(dá)到40 dB衰減)和優(yōu)化高端阻帶內(nèi)的S(2， 1)(設(shè)定2.8 GHz以上衰減達(dá)到40 dB)。如果一次優(yōu)化不能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，則需要再改變變量的取值范圍，進(jìn)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(shí)， S(2， 1)=-0.113 dB， f=2.8 GHz和f=2.4 GHz時(shí)衰減都大于40 dB，反射系數(shù)也比較理想，各項(xiàng)基本滿足設(shè)計(jì)要求。

微帶濾波器的實(shí)際電路是由實(shí)際電路板和微帶線構(gòu)成的，實(shí)際電路的性能可能會(huì)與原理圖仿真的結(jié)果會(huì)有很大的差別。因此，需要在ADS中對(duì)版圖進(jìn)行進(jìn)一步的仿真之后才能進(jìn)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(duì)電路版圖進(jìn)行矩量法Momentum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(biāo)要求。版圖的仿真是采用矩量法直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，考慮了實(shí)際因素，其結(jié)果比在原理圖中仿真更加真實(shí)。

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(lái)進(jìn)行微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)出了一個(gè)達(dá)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。

[ 1] 黃玉蘭.射頻電路理論與設(shè)計(jì)[ M].北京：人民郵電出版社，2008， 10.

[ 2] 韓持宗，朱靜.基于ADS仿真設(shè)計(jì)的微帶帶通濾波器[ J] .電子設(shè)計(jì)應(yīng)用， 2007， 9.

[ 3] 清華大學(xué)《微帶電路》編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社， 1975.

[ 4] 陳艷華，李朝暉，夏瑋.ADS應(yīng)用詳解—射頻電路設(shè)計(jì)與仿真[ M] .北京：人民郵電出版社， 2008， 4.

[ 5] LUDWING R.RF Circuit Design：Theory and Application[ M] .Upper Saddle River， NJ， USA：Prentice Hall， 2000.

[ 6] 鐘蔚杰，楊景曙.微帶線帶通濾波器的ADS輔助設(shè)計(jì)[ J] .現(xiàn)代雷達(dá)， 2008， 3.

[ 7] 周郭飛，趙全明，騰建輔.微帶電容間隙耦合傳輸線帶通濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[ J] .微波學(xué)報(bào)， 2003， 19(1)：34-38.

[ 8] Rohde U L.無(wú)線應(yīng)用射頻微波電路設(shè)計(jì)[ M] .劉光枯，譯.北京：電子工業(yè)出版社， 2004.