超高頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

摘 要： 介紹一種在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用ADS軟件對(duì)射頻濾波器進(jìn)行優(yōu)化及仿真的方法，重點(diǎn)闡述射頻濾波器設(shè)計(jì)過程中的優(yōu)化設(shè)計(jì)、器件仿真以及矩量法分析等相關(guān)內(nèi)容。射頻濾波器的測(cè)試結(jié)果表明其通帶內(nèi)波紋小于3dB，帶內(nèi)輸入輸出端口反射系數(shù)小于-20 dB，阻帶衰減大于40 dB，相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，此方法具有可行性和有效性。

關(guān)鍵詞： 超高頻； 帶通濾波器； ADS優(yōu)化； 器件仿真

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）14?0116?03

Design and simulation of ultra?high frequency bandpass filter

WANG Hao?chen， WANG Zhi?ming

（School of Mechanical Engineering， NUST， Nanjing 210094， China）

Abstract： A method based on the theoretical calculation to optimize and simulate RF filter by ADS software is introduced. The optimization design， device simulation， moment method analysis and related content in the process of RF filter design is elaborated emphatically. The test results of RF filter show that the ripple within its passband is less than 3 dB， the reflection coefficient of in?band I/O ports is less than -20 dB and stopband attenuation is greater than 40 dB. This method has higher feasibility and effectiveness， compared with the traditional design method.

Keywords： ultra?high frequency； band?pass filter； ADS optimization； component simulation

射頻濾波器在無線通信系統(tǒng)中至關(guān)重要，起到頻帶和信道選擇的作用，并且能濾除諧波，抑制雜散。事實(shí)上，對(duì)于大多數(shù)現(xiàn)代濾波器的設(shè)計(jì)，射頻/微波模擬軟件是一個(gè)絕對(duì)必要的、評(píng)估濾波器性能的工具。美國安捷倫（Agilent）公司推出的大型EDA軟件Advanced Design System?ADS就是其中的佼佼者，也是國內(nèi)各大學(xué)和研究所在微波電路和通信系統(tǒng)仿真方面使用最多的軟件之一[1?2]。本文在理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用ADS軟件對(duì)耦合微帶線帶通濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)效率。

1 理論設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下所示：

（1）通帶頻率范圍：902～928 MHz，中心頻率為915 MHz；

（2）帶內(nèi)波紋小于3 dB；

（3）阻帶損耗：850 MHz以下及950 MHz以上衰減大于40 dB；

（4）帶內(nèi)輸入/輸出端口反射系數(shù)小于-20 dB。

耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)采用FR?4作為基片材料，基片參數(shù)為：d=1.6 mm，Er=4.5，tan δ=0.02，銅導(dǎo)體的厚度t=0.035 mm。

1.2 理論計(jì)算

當(dāng)頻率達(dá)到或接近GHz時(shí)，濾波器通常由分布參數(shù)元件構(gòu)成，分布參數(shù)不僅可以構(gòu)成低通濾波器，而且可以構(gòu)成帶通和帶阻濾波器。平行耦合微帶傳輸線由兩個(gè)無屏蔽的平行微帶傳輸線緊靠在一起構(gòu)成，由于兩個(gè)傳輸線之間電磁場的相互作用，在兩個(gè)傳輸線之間會(huì)有功率耦合，這種傳輸線也因此稱為耦合傳輸線。平行耦合微帶線可以構(gòu)成帶通濾波器，這種濾波器是由波長耦合線段構(gòu)成，是一種常用的分布參數(shù)帶通濾波器[3]。當(dāng)兩個(gè)無屏蔽的傳輸線緊靠一起時(shí)，由于傳輸線之間電磁場的相互作用，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[4]。濾波器設(shè)計(jì)首先要選擇適當(dāng)?shù)牡屯V波器原型，濾波器的階數(shù)可以根據(jù)950 MHz頻率點(diǎn)的衰減大于40 dB的要求確定。利用帶通濾波器頻率變換公式如下：

要在低通濾波器原型的相應(yīng)歸一化頻率點(diǎn)Ω=2.64處獲得40 dB的衰減，濾波器的階數(shù)至少為N=4，則需要采用5節(jié)耦合微帶線級(jí)連。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)中需要的衰減和波紋，選定采用切比雪夫設(shè)計(jì)方法，則可知具有3 dB波紋的4階切比雪夫?yàn)V波器的元件參數(shù)為g0=1，g1=3.438 9，g2=0.748 3，g3=4.347 1，g4=0.592 0，g5=5.809 5。

耦合微帶線帶通濾波器中傳輸線的奇模、偶模通過公共接地板產(chǎn)生耦合效應(yīng)，并導(dǎo)致了奇模特性阻抗和偶模特性阻抗，其公式分別如下所示：

式中：

對(duì)于平行耦合微帶線而言，利用ADS軟件中的工具LineCalc，可以進(jìn)行物理尺寸和電參數(shù)之間的數(shù)值計(jì)算，根據(jù)計(jì)算所得平行耦合微帶線奇模和偶模的特性阻抗，計(jì)算平行耦合微帶線導(dǎo)體帶的角度和間隔距離。由上述特性阻抗，可得微帶線的實(shí)際尺寸如表1所示。

表1 微帶線理論值 mm

2 ADS優(yōu)化仿真

2.1 原理圖設(shè)計(jì)

利用計(jì)算所得尺寸，建立如圖1所示原理圖，并進(jìn)行仿真。

圖1 理論值原理圖

仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 理論值原理圖仿真結(jié)果

由圖2的仿真結(jié)果可以看出，850 MHz及950 MHz以上衰減大于60 dB，符合設(shè)計(jì)要求，但是902～928 MHz之間的衰減過大，不符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，需進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2 優(yōu)化仿真

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真。S21（S12）是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在S21（S12）隨頻率變化曲線的形狀上。S11（S22）參數(shù)是輸入/輸出端口的反射系數(shù)，由它可以換算出輸入/輸出端的電壓駐波比。如果反射系數(shù)過大，就會(huì)導(dǎo)致反射損耗增大，并且影響系統(tǒng)的前后級(jí)匹配，使系統(tǒng)性能下降[5]。常用的優(yōu)化方法有Random和Gradient，隨機(jī)法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。因此，在具體的設(shè)計(jì)中，首先適當(dāng)放寬各個(gè)參數(shù)的取值范圍，采用隨機(jī)法進(jìn)行優(yōu)化，而后參照之前隨機(jī)法優(yōu)化結(jié)果，適當(dāng)縮小各個(gè)參數(shù)的取值范圍，進(jìn)而采用梯度法再次優(yōu)化[6]。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置如圖3所示。優(yōu)化后的原理圖仿真結(jié)果如圖4所示。由圖3，圖4可看出，優(yōu)化后的尺寸可以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。之后可以進(jìn)行版圖仿真。

2.3 版圖仿真

原理圖的仿真實(shí)在完全理性的狀態(tài)下進(jìn)行的，而實(shí)際電路板的制作往往與理論有較大的差距，這就需要考慮干擾、耦合等因素的影響。因此需要在ADS中進(jìn)一步對(duì)版圖仿真。

用于生成版圖的原理圖如圖5所示。

圖3 優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置

圖4 優(yōu)化后原理圖仿真結(jié)果

圖5 生成版圖原理圖

由上述原理圖生成的版圖如圖6所示。

圖6 耦合微帶線帶通濾波器版圖

版圖仿真結(jié)果與原理圖仿真結(jié)果有所不同，它與原理圖仿真的方式不同，更為嚴(yán)格，因此很有可能仿真出的結(jié)果不符合要求，需返回到原理圖進(jìn)行再次優(yōu)化之后，再進(jìn)行版圖的仿真，直到仿真結(jié)果可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求為止。版圖的仿真結(jié)果如圖7所示，由圖可以看出，設(shè)計(jì)出的尺寸符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

圖7 版圖仿真結(jié)果

3 結(jié) 語

射頻帶通濾波器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法大多是通過圖表查詢和曲線擬合來完成的，不但工作量大，而且設(shè)計(jì)精度不高。本文在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用ADS軟件對(duì)射頻濾波器進(jìn)行優(yōu)化及仿真，進(jìn)而依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果加工制作射頻濾波器器件，既減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了設(shè)計(jì)周期，又提高了設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)效率。測(cè)試結(jié)果表明，此方法設(shè)計(jì)射頻濾波器是可行的和有效的。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄒德慧，賴萬昌，戴振麟，等.一種基于ADS 優(yōu)化的微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電測(cè)與儀表，2007（6）：31?33.

[2] 楊金偉.基于Richards變換與Kuroda規(guī)則的射頻濾波器設(shè)計(jì)[J].臺(tái)州學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（3）：41?46.

[3] LUDWIG Reinhold，BRETCHKO Pavel.射頻電路設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

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[5] 徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6] 馮新宇，車向前，穆秀春.DS2009射頻電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.