基于平衡技術(shù)的微帶低通濾波器版圖優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(gè)濾波器的寬度，使版圖仿真優(yōu)化。以一個(gè)5階切比雪夫微帶低通濾波器設(shè)計(jì)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(jì)微帶低通濾波器相比，該方法能縮短濾波器設(shè)計(jì)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

中圖分類號：TN71334文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：1004373X(2012)04002702

Design of microstrip lowpass filter layout optimization based on balanc technology

PENG Yufeng， LIN Sihong， ZHANG Shuli， JIN Long

(College of Physics and Information Engineering， Henan Normal University， Xinxiang 453008， China)

Abstract： The discontinuity of the microstrip line structure makes reflection loss and insertion loss bigger， and affects the filter performance. In this paper， balancing method is used to enhance the lower characteristic impedance of the parallel filter branch to achieve the purpose of reducing the width of microstrip line， accordingly to balance the width of the filter and to optimize the simulation layout. Taking the design of a fivethorder Chebyshev microstrip lowpass filter as an example， its simulation results show that the internal reflection loss of the filter passband decreases from -9.566 dB to -15.837 dB and the insertion loss cuts down to 0.322 dB from 0.679 dB. Compared with directly adoptting Richards transform and microstrip lowpass filter designed by Kuroda rule， this method can shorten the design cycle of filter and make the filter performance satisfactory.

Keywords： lowpass filter; microstrip line; balancing technology

收稿日期：20110911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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的出現(xiàn)，使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中避免繁雜的計(jì)算過程，提高復(fù)雜電路設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。設(shè)計(jì)者通常運(yùn)用Richards變換與Kuroda規(guī)則設(shè)計(jì)微帶低通濾波器［13］。該方法設(shè)計(jì)的濾波器在接頭處會(huì)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［4］。運(yùn)用分形技術(shù)設(shè)計(jì)高低阻抗濾波器取得了一定的效果，但設(shè)計(jì)方法復(fù)雜，對于加工精度要求較高［5］。

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(jì)原理

使用Richards變換和Kuroda規(guī)則設(shè)計(jì)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）=-jZ0tan β1(1)式中：傳播常數(shù)β=2π／λ；Z0為特性阻抗。將l=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(huì)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(jì)微帶低通濾波器由于當(dāng)頻率較高時(shí)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)［67］。基于以上原因，設(shè)計(jì)者先設(shè)計(jì)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(jì)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。基板厚度H=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(jì)算選用5階切比雪夫微帶低通濾波器模型進(jìn)行設(shè)計(jì)［8］。電路原理及其仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1微帶低通濾波器原理電路及仿真結(jié)果由圖可以看出串聯(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［8］。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。

圖2微帶低通濾波器版圖結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果3用平衡技術(shù)設(shè)計(jì)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(jì)。電路原理及仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3改進(jìn)后微帶低通濾波器原理電路及仿真結(jié)果圖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。

圖4改進(jìn)后微帶低通濾波器版圖結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果由圖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(jì)原理，并以一個(gè)5階切比雪夫微帶低通濾波器設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)周期，具有良好的應(yīng)用前景。

(下轉(zhuǎn)第34頁)2012年2月15日第35卷第4期現(xiàn)代電子技術(shù)Modern Electronics TechniqueFeb.2012Vol.35 No.4第4期白曉梅，等：基于Delta3D的氣象仿真框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電子技術(shù)2012年第35卷基于Delta3D的氣象仿真框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)