基于ADS濾波器的設(shè)計(jì)

(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124)

(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124)

介紹了基于ADS(Advanced Design System)軟件進(jìn)行微帶線濾波器的設(shè)計(jì)方法，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)原理和步驟，并結(jié)合實(shí)例設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為2.35 GHz，帶寬為100 MHz，帶內(nèi)衰減小于2 dB，波紋起伏小于1 dB，輸入阻抗、輸出阻抗均為50Ω的耦合微帶線帶通濾波器。經(jīng)過仿真優(yōu)化，得到了原理圖和電路版圖，證明了這種方法的可行性，對(duì)使用ADS設(shè)計(jì)濾波器具有一定指導(dǎo)作用。

帶通濾波器;平衡耦合;微帶線;ADS

微波濾波器是一類無耗的二端口網(wǎng)絡(luò)，主要用于控制信號(hào)的頻率響應(yīng)，使有用的信號(hào)頻率分量幾乎無衰減地通過濾波器，無用的信號(hào)頻率分量被阻斷［1］。微波濾波器按照傳輸線分類可分為微帶線濾波器、交指型濾波器、同軸濾波器、波導(dǎo)濾波器等。由于微帶線濾波器具有結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)現(xiàn)以及其獨(dú)特的選頻特性等優(yōu)點(diǎn)，使得廣泛應(yīng)用于各種微波通信電路中。微帶線濾波器主要包括平衡耦合微帶線濾波器、發(fā)夾型濾波器、微帶類橢圓函數(shù)濾波器［2］。而平衡耦合微帶線濾波器具有重量輕、體積小、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。

傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)方法需要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，隨著微波輔助電路設(shè)計(jì)軟件的快速發(fā)展，使得利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)變得相對(duì)容易。ADS正是這種輔助設(shè)計(jì)軟件，可以完成從電路圖到PCB版圖的設(shè)計(jì)、仿真及優(yōu)化。本文就是基于ADS軟件對(duì)平衡耦合微帶線帶通濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，介紹了這種區(qū)別于傳統(tǒng)微波濾波器的設(shè)計(jì)方法。

1 平衡耦合微帶線濾波器原理

耦合微帶線是由兩根或多根彼此靠得很近的非屏蔽傳輸線構(gòu)成的導(dǎo)行系統(tǒng)。它是一種半開放式傳輸結(jié)構(gòu)。耦合線的特性可以由線間的有效電容和線上波的傳播速度完全確定［3］。其結(jié)構(gòu)和等效電路圖如圖1所示。

圖1 微帶線結(jié)構(gòu)及等效電路圖

其中，C11表示帶狀導(dǎo)體2不存在時(shí)帶狀導(dǎo)體1對(duì)地的自電容;C22表示帶狀導(dǎo)體1不存在時(shí)帶狀導(dǎo)體2對(duì)地的自電容;C12表示接地導(dǎo)體不存在時(shí)帶狀導(dǎo)體1和2之間的互電容。

邊緣耦合的平行耦合線由兩條相互平行且靠近的微帶線構(gòu)成，單個(gè)帶通濾波器單元如圖2(a)所示。單個(gè)耦合微帶濾波器單元能夠等效成如圖2 (b)所示的一個(gè)導(dǎo)納倒置轉(zhuǎn)換器和接在兩邊傳輸線段的組合［4］。

圖2 帶通濾波單元

這種結(jié)構(gòu)的的開路傳輸線線段，按照其嚴(yán)格的處理方法［5］，可以得到其阻抗參數(shù)矩陣參數(shù):

當(dāng)把基本單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成多節(jié)濾波器時(shí)，要使每個(gè)單元的兩個(gè)端口都與下一個(gè)單元的元件匹配(鏡像匹配)。對(duì)于一端口的輸入阻抗，使用ABCD參量，可以得到:

對(duì)于2端口的輸入阻抗:

因?yàn)槎喙?jié)濾波器阻抗匹配，即Zin=ZL，則由以上兩式可得到A=D和

則由Z11=Z22和Z12=Z21，可求出全部ABCD參量元素，將B和C代入可求出輸入阻抗(鏡像阻抗):

在0≤βl≤2π區(qū)間內(nèi)，一電長(zhǎng)度為自變量，可以畫出輸入阻抗為實(shí)部的函數(shù)響應(yīng)如圖3所示。

圖3 阻抗為實(shí)數(shù)的頻率響應(yīng)

根據(jù)頻率響應(yīng)圖，可以得出:當(dāng)微帶線長(zhǎng)度為λ/4或βl=π/2時(shí)，可以得到典型的帶通濾波器特性。這種情況下，上變頻和下變頻為:

這個(gè)耦合線節(jié)單元具有典型帶通濾波器的特性，但單一的帶通濾波器的單元是很難有一個(gè)良好的濾波器響應(yīng)和陡峭的通帶—阻帶［6］。因此，把這些基本耦合單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)實(shí)用的濾波器。如圖4所示。

圖4 級(jí)聯(lián)帶通單元

如圖2～圖4所示為級(jí)聯(lián)耦合微帶線節(jié)單元構(gòu)成的帶通濾波器的典型結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，一般先要進(jìn)行頻率變換，即把給定的插入衰減頻率特性曲線變換成原型低通濾波器的插入衰減特性曲線，然后計(jì)算出濾波器的階數(shù)，根據(jù)階數(shù)求出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)原型低通濾波器的設(shè)計(jì)表格來求出各元件的真實(shí)值。

2 平衡耦合帶通濾波器的設(shè)計(jì)及仿真

2.1 設(shè)計(jì)步驟

為設(shè)計(jì)出符合要求的帶通濾波器，可以將傳統(tǒng)的平行耦合微帶線設(shè)計(jì)方法與先進(jìn)的微波電路仿真軟件ADS2009相結(jié)合，使全部設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)換成實(shí)際的濾波器設(shè)計(jì)，圖5就是平行耦合微帶線濾波器的設(shè)計(jì)的流程圖。

圖5 平行耦合微帶濾波器的設(shè)計(jì)流程圖

2.2 平衡耦合微帶線帶通濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)濾波器各項(xiàng)指標(biāo)確定 中心頻率2.35 GHz，帶寬100 MHz，帶內(nèi)衰減小于2 dB，波紋起伏小于1 dB，在頻率2.1 GHz、2.6 GHz處衰減大于-40 dB，Z0=50Ω，端口反射系數(shù)小于-20 dB。

(2)確定濾波器類型 耦合微帶線濾波器。

(3)選擇介質(zhì)基片 介電常數(shù)Er=4.5(環(huán)氧玻璃纖維板(FR-4))，電路板厚度H=1 mm，滲透系數(shù)Mur=1，介質(zhì)板上金屬層電導(dǎo)率為銅，則GCu= 5.88×107，金屬層厚度T=0.035 mm。

(4)計(jì)算濾波器階數(shù)

在2.6 GHz頻率點(diǎn)求得低通濾波器原型的響應(yīng)歸一化頻率為:

查通帶內(nèi)波紋為1 dB時(shí)的切比雪夫低通濾波器的阻帶衰減特性圖，取n=4

圖6 1.00 dB波紋的切比雪夫低通濾波器的阻帶衰減特性

(5)濾波器元件參數(shù) 查表1，n=4時(shí)切比雪夫低通濾波器的對(duì)應(yīng)于帶內(nèi)波紋為1 dB的元件參數(shù)得:g0=1，g1=2.099 1，g2=1.064 4，g3=2.831 1，g4=0.789 2，g5=2.659 9。

表1 切比雪夫低通濾波器的原件數(shù)值表

(6)計(jì)算奇偶模阻抗 歸一化帶寬WB為:

根據(jù)帶寬計(jì)算:

計(jì)算得到參數(shù):

通過這些參數(shù)計(jì)算傳輸線的奇模、偶模阻抗:

和

其中Z0是濾波器輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗。

可計(jì)算出所設(shè)計(jì)的微帶線奇模偶模阻抗:

(7)計(jì)算耦合微帶線實(shí)際參數(shù):

利用ADS微帶線計(jì)算工具(LineCacl)計(jì)算微帶線的實(shí)際尺寸如圖7，輸入各參數(shù)后點(diǎn)擊Sythesize按鈕，即得出微帶線的實(shí)際尺寸。

具體參數(shù)如下:

Er=4.5:微帶線介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)為4.5;

Mur=1:微帶線介質(zhì)基片的相對(duì)磁導(dǎo)率為1;

H=1 mm:微帶線介質(zhì)基片的厚度為1 mm;

Hu=1.0×1033mm:微帶電路的封裝高度為1.0×1033;

T=0.035 mm:微帶線金屬片的厚度為0.035 mm;

GCu=5.88×107，微帶線金屬片的電導(dǎo)率為5.88×107;

TanD=1E-4:微帶線的損耗角正切為 1 ×10-4;

Freq=2.4 GHz:微帶線工作頻率為2.4 GHz;

圖7 利用LineCacl工具計(jì)算耦合線節(jié)實(shí)際尺寸

Wall1=默認(rèn)值:條帶H的邊緣到第一側(cè)壁的距離，默認(rèn)值為1.0×1030mil;

Wall2=默認(rèn)值:條帶H的邊緣到第二側(cè)壁的距離，默認(rèn)值為1.0×1030mil。

計(jì)算得到表2:

表2 耦合線節(jié)實(shí)際尺寸

用微帶線計(jì)算工具計(jì)算在阻抗為50Ω和電長(zhǎng)度為90°時(shí)，可以算出微帶線的線寬2.968 mm和長(zhǎng)度17.255 9 mm(四分之一波長(zhǎng))兩邊的引出線的雙擊兩邊的引出線 TL1、TL2，分別將其寬與長(zhǎng)設(shè)為2.968 mm和10 mm(其中線長(zhǎng)只是暫定，以后制作版圖時(shí)還會(huì)修改)。

2.3 原理圖設(shè)計(jì)與仿真

將上述計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)尺寸輸入ADS中并設(shè)置微帶線電路板的參數(shù)，畫出仿真原理圖和仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

由圖9可以仿真結(jié)果可以看出，與應(yīng)得的設(shè)計(jì)相比，中心頻率點(diǎn)出現(xiàn)偏移，在2.26 GHz左右。而且通帶內(nèi)的反射系數(shù)太大，端口反射系數(shù)也不滿足設(shè)計(jì)要求，因此對(duì)電路圖進(jìn)行優(yōu)化［7］。

中心頻率的實(shí)際值比設(shè)計(jì)值偏低的主要原因是耦合單元微帶線開路端邊緣效應(yīng)的影響。對(duì)于開路端微帶線，一般將邊緣效應(yīng)等效為一個(gè)電容，同時(shí)，這個(gè)等效電容又可以用一段附加的一定長(zhǎng)度的傳輸線所代替［8］。因此使用ADS的優(yōu)化功能來改善開路段邊緣效應(yīng)的影響。設(shè)置優(yōu)化參數(shù)，主要包括濾波器各節(jié)的寬度W、間隔S、長(zhǎng)度L、通帶內(nèi)的S(2，1)、S(1，1)、低端阻帶內(nèi)的S(1，1)、高端阻帶內(nèi)的S (2，1)等。優(yōu)化后原理圖和仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。

2.4 版圖設(shè)計(jì)與仿真

針對(duì)仿真結(jié)果，我們可以看到，參數(shù)已經(jīng)優(yōu)化，因此進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)及仿真，版圖設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖8 優(yōu)化前原理圖

圖9 優(yōu)化前仿真結(jié)果

圖10 優(yōu)化后原理圖

圖11 優(yōu)化后仿真結(jié)果

圖12 版圖設(shè)計(jì)

圖13 版圖仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文以中心頻率為2.35 GHz，帶寬為100 MHz的帶通濾波器為例，完成了基于ADS完整的設(shè)計(jì)和仿真，仿真結(jié)果良好，證明了基于ADS帶通濾波器設(shè)計(jì)的可行性并且較之經(jīng)典濾波器的設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)便、快速等優(yōu)點(diǎn)。

［1］鄭冬，王志剛.基于ADS帶通濾波器的設(shè)計(jì)［J］.電子產(chǎn)品世界，2010.

［2］高峻，唐晉生.微波濾波器的回顧與展望［J］.電子元器件應(yīng)用，2005(11):70-72.

［3］李緝熙.射頻電路與芯片設(shè)計(jì)要點(diǎn)［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［4］Reinhold L.RFCircuit Design:Theory and Applications Second Edition［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2010.

［5］王磊，楊紅.射頻電路設(shè)計(jì)與技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［6］雷達(dá)資料編譯組.微波濾波器設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1972:56-85.

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［8］李春紅，李志強(qiáng).低頻段腔體濾波器的小型化設(shè)計(jì)［J］.無線電工程，2006，36(2):45-47.

基于ADS濾波器的設(shè)計(jì)

宿玲玲，賽景波*

A Design of Filter Based on ADS

SU Lingling，SAI Jingbo*
(College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing100124，China)

A method ofmicrostrip filter designing which is based on ADS(Advanced Design System)is introduced，some details of designing principle and steps are also described in the following contents.Furthermore，a 100 MHz band-pass filter with a 2.35 GHz center frequency has been designed combining with practical examples，in the above example the In-band attenuation is less than 2 dB，ripple fluctuation is less than 1 dB，and both of the input and output impedances are 50Ω.After the process of simulating and optimization，schematic diagram and IC Layout diagram have been worked outwhich can prove the feasibility of the researched method，the results of this research has a guiding function for the application of ADSmicrostrip filter in the future days.

band-pass filter;parallel coupled;microstrip line;ADS

10.3969/j.issn.1005－9490.2013.06.014

TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005－9490(2013)06－0814－06

2013-04-18修改日期:2013-04-26

EEACC:1270;1350

宿玲玲(1989-)，女，漢族，河北邯鄲，北京工業(yè)大學(xué)，在讀碩士生，研究方向?yàn)闊o線通信、移動(dòng) IP與嵌入式，992839215@qq.com;

賽景波(1964-)，男，漢族，黑龍江，北京工業(yè)大學(xué)，副教授，研究方向?yàn)闊o線通信、移動(dòng) IP與嵌入式，saijingbo@ bjut.edu.cn。