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，因此如何設計出一個具有高性能的濾波器，對設計微波電路系統具有很重要的意義。微帶電路具有體積小， 重量輕、頻帶寬等諸多優點， 近年來在微波電路系統應用廣泛， 其中用微帶做濾波器是其主要應用之一。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用的帶通濾波器。

1  基本原理

當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。根據傳輸線理論， 每條單獨的微帶線都等價為小段串聯電感和小段并聯電容。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， 級聯后的網絡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  設計步驟

2. 1  設計低通原型

根據帶通濾波器的一系列參數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：



查表得到歸一化設計參數g1， g2. . . gN gN + 1。

2. 2  計算各節偶模和奇模的特性阻抗設計

用g1， g2. . . gN gN + 1和BW 確定帶通濾波器電路中的設計參數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

根據微帶線的偶模和奇模阻抗， 按照給定的微帶線路板的參數，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  仿真及優化

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

3  設計實例

設計指標: 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， 通帶內紋波3 dB， 輸入輸出特性阻抗均為50 。

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

根據設計的指標及式( 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  各節耦合微帶線的尺寸單位: mm





圖2  ADS L inecalc模塊。

將上述的結構尺寸輸入ADS中并設置微帶電路板的參數和S參數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是仿真結果。


圖3  微帶線帶通濾波器設計原理圖。


圖4  傳輸、反射系數仿真曲線圖。

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

圖5為優化原理圖， 圖6是優化后生成的仿真結果。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， 反射系數也比較理想， 各項基本滿足設計要求。

微帶濾波器的實際電路是由實際電路板和微帶線構成的， 實際電路的性能可能會與原理圖仿真的結果會有很大的差別。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， 其結果比在原理圖中仿真更加真實。


圖5  微帶線帶通濾波器優化原理圖


圖6  優化后的S 參數曲線圖。


圖7  微帶版圖。



圖8  微帶版圖仿真曲線。

4  結論

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