基于HFSS與ADS結(jié)合的微波濾波器設(shè)計(jì)

基于HFSS與ADS結(jié)合的微波濾波器設(shè)計(jì)

蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 陶世懷

【摘要】基于HFSS與ADS結(jié)合的微波濾波器設(shè)計(jì)方法是利用HFSS進(jìn)行濾波器建模，并結(jié)合ADS進(jìn)行曲線仿真，本文給出了具體的設(shè)計(jì)實(shí)例，并給出部分器件的仿真結(jié)果、實(shí)物和測(cè)試結(jié)果。所設(shè)計(jì)的濾波器具有：結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良以及研制周期短等優(yōu)點(diǎn)，并已經(jīng)投入實(shí)際的工程應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】HFSS；ADS；微波；濾波器

抽頭式交指線微波濾波器具有較多優(yōu)良特性：結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)實(shí)，可靠性好；諧振器間的間隔較大，對(duì)加工精度要求不高；一般在沒(méi)有電容加載情況下，諧振桿的長(zhǎng)度近似為λ0/4，第二通帶的中心在3ω0上，也有較好的阻帶特性；另外，在ω=0和ω=ω0的偶數(shù)倍上，具有高次衰減極點(diǎn)，因而阻帶衰減和截止率都比較大；既可以作為印刷電路形式，又可以用較粗的桿作成自行支撐，而不用介質(zhì)。基于上述，交指型濾波器的諧振器既可用矩形桿，也可用圓桿實(shí)現(xiàn)。下面給出利用矩形桿的微波濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)例。

經(jīng)過(guò)多位高工的研討，本微波實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的濾波器主要是針對(duì)前級(jí)的天線而來(lái)的，即要實(shí)現(xiàn)最后的級(jí)聯(lián)。所以有必要闡述下前級(jí)的天線的具體規(guī)格：

設(shè)計(jì)的天線是在2.36GHz附近工作，而我在這里設(shè)計(jì)的濾波器目的是針對(duì)移動(dòng)通信設(shè)計(jì)，所要求帶寬較窄，令帶寬在50MHz左右，符合天線能提供的范圍。濾波器使用的基板參數(shù)還是εγ=9.6，H=1.27mm，此時(shí)基板上傳輸線的阻抗50W。

根據(jù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需要及制作成本等因素，確定如下參數(shù)：

中心頻率f0=2.36GHz；

帶寬為Δf=50MHz～70MHz（計(jì)算按50MHz）；

帶內(nèi)插損Lp≤3dB；帶內(nèi)駐波ρ≤2；

帶外抑制在f0±0.05GHz處Ls≥20dB；

體積要求V≤20×30×100（mm3）輸入輸出方式SMB。

參考上述的指標(biāo)，采用交指線濾波器設(shè)計(jì)。濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先利用等效電路法給出濾波器抽頭單元和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的初值，利用HFSS仿真軟件對(duì)抽頭單元進(jìn)行精確分析，并進(jìn)行濾波器結(jié)構(gòu)性的建模，然后結(jié)合ADS，利用Passive circuit DG-filters模型中的interdigita進(jìn)行曲線仿真。

濾波器的階數(shù)取為n=7，帶內(nèi)取0.01dB切比雪夫等波紋設(shè)計(jì)，諧振桿的長(zhǎng)度取為λ0/4略短些，設(shè)計(jì)中，采用了矩形桿結(jié)構(gòu)，下面將矩形桿結(jié)構(gòu)的最終參數(shù)值列十表5-4中，并給出了矩形桿仿真結(jié)果。

則低通原型元件值查表（見(jiàn)表1）

可得g0=g8=1；g1=g7=0.7969；g2=g6= 1.3924；g3=g5=1.7481；g4=1.6331；。

利用等效電路分析方法可以給出抽頭線的設(shè)計(jì)初值，但是只能給出抽頭線距離諧振器接地端的長(zhǎng)度，即ι=3.3mm，抽頭結(jié)構(gòu)濾波器的設(shè)計(jì)中抽頭線高度和抽頭線到第一諧振器的長(zhǎng)度S01對(duì)整體性能影響都比較大，利用有載品質(zhì)因數(shù)的參數(shù)提取方法所得到的結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確些。

根據(jù)交指型濾波器的公式和濾波器帶寬FBW的要求，計(jì)算相關(guān)參數(shù)：

有載品質(zhì)因數(shù)的理論計(jì)算值：代入?yún)?shù)值可以求得Ωe為18.8。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，矩形桿結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示：

其中，W為矩形桿的寬度，Si，j+1為桿間的邊緣距離，Pi為諧振桿的高度（略小λ/4，l為抽頭線距短路端的長(zhǎng)，S01為第一諧振桿距邊緣的長(zhǎng)度，t和h分別是諧振桿和腔體的厚度，而且腔體總高為35mm。

根據(jù)以上參數(shù)利用HFSS進(jìn)行結(jié)構(gòu)性仿真，仿真結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，結(jié)合ADS進(jìn)行曲線仿真，仿真響應(yīng)曲線圖如圖2所示。

圖3和圖4分別給出矩形桿結(jié)構(gòu)的濾波器的實(shí)物照片和測(cè)試結(jié)果

在調(diào)試中也采用了螺釘調(diào)整頻率和帶寬。從測(cè)試結(jié)果可以看出，通帶性能較好，插損小于3.0dB，駐波系數(shù)在20dB左右，都滿足了濾波器的設(shè)計(jì)要求。

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作者簡(jiǎn)介：陶世懷（1973—），男，湖北孝感人，電子通信專(zhuān)業(yè)碩士，講師，蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校商貿(mào)管理系主任，主要從事物流信息研究。