基于ADS的微波帶通濾波器的研究與設(shè)計(jì)

張 琴，李海華，程 駿，柳秀山*

(1.廣東技術(shù)師范學(xué)院，廣州510665;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館，廣州510640)

基于ADS的微波帶通濾波器的研究與設(shè)計(jì)

張 琴1，李海華2，程 駿1，柳秀山1*

(1.廣東技術(shù)師范學(xué)院，廣州510665;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館，廣州510640)

基于ADS2009微波仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出一款適合于S波段的微波帶通濾波器，本設(shè)計(jì)使用了寬帶匹配技術(shù)，結(jié)合微帶線和集總元件設(shè)計(jì)出寬帶的匹配網(wǎng)絡(luò)。濾波器適用頻率范圍:2.3 GHz～2.5 GHz，可用帶寬WB=200 MHz，帶內(nèi)紋波小于0.5 dB，帶內(nèi)插損lI＜1 dB。實(shí)物測試結(jié)果表明，濾波器的性能參數(shù)與仿真結(jié)果高度接近，說明ADS微波仿真系統(tǒng)具有較高的仿真精度和較好的的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

微波;濾波器;仿真;耦合;ADS系統(tǒng)

微波帶通濾波器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的諸多方面，對微波射頻系統(tǒng)的通信質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。尤其是在混頻通信單元中，帶通濾波器承擔(dān)著濾除高頻交調(diào)分量、選擇有用信號、抑制雜散輻射的作用，直接決定了混頻系統(tǒng)輸出信號的頻譜純度［1］。因此，微波濾波器的研究與設(shè)計(jì)，一直是無線射頻通信領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)內(nèi)容。

1 平行耦合微帶線濾波器的設(shè)計(jì)與分析

1.1 平行耦合微帶線濾波器的原理與結(jié)構(gòu)

兩根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，在傳輸線之間會有功率耦合，這種傳輸線稱為耦合傳輸線［2］。當(dāng)傳輸線的長度等于傳輸信號波長的1/4時(shí)，這種耦合傳輸線具有一定的帶通幅頻特性，稱為平行耦合微帶傳輸線。

平行耦合微帶傳輸線可以構(gòu)建多種類型的濾波器，這些濾波器的相對帶寬通常不超過20%［3］。微波帶通平行線耦合濾波器由N+1段耦合微帶線單元構(gòu)成，而每一段耦合線又可等效為一種復(fù)雜的諧振電路結(jié)構(gòu)，具有奇模與偶模的電路特性［4-5］。Z0o與Z0e分別為耦合線的奇模與偶模特性阻抗，可由式(1)確定［6］:

式(1)中，WB表示帶通濾波器的相對歸一化帶寬，此數(shù)值必須精確計(jì)算，它決定了濾波器的通帶阻帶等多項(xiàng)濾波性能，可由式(2)確定［7］:

1.2 濾波器低通數(shù)學(xué)模型計(jì)算

一款實(shí)用的微波帶通濾波器設(shè)計(jì)要求如下:中心頻率ω0=2.4 GHz，相對帶寬WBω=8%，帶內(nèi)波紋為0.5 dB，輸入駐波比ρ1＜1.5，輸出駐波比ρ2＜ 1.5;在ω0=2.9 GHz時(shí)，插入損耗lI＞25 dB，微帶線接頭特性阻抗Z0為50Ω。

要設(shè)計(jì)出以上的濾波器，根據(jù)濾波器低通原型理論，首先應(yīng)選擇N=3的切比雪夫低通濾波器原型，該原型滿足插入損耗lI＞35 dB的性能要求。當(dāng)切比雪夫低通濾波器原型N=3時(shí)，查詢切比雪夫原型系數(shù)表，得到基本濾波系數(shù)為:g0=1，g1=1.596 3，g2= 1.096 7，g3=1;將濾波器原型系數(shù)代入式(1)，計(jì)算出濾波器的奇模偶模特性阻抗，數(shù)值如表1所示。

表1 平行線帶通濾波器奇偶模系數(shù)表

1.3 濾波器PCB版圖設(shè)計(jì)

根據(jù)濾波器的奇偶模特性阻抗值，選定PCB電路板材參數(shù)如下:基板厚度h=1 mm，電路基板材質(zhì)為FR-4，相對介電常數(shù)為4.5，相對磁導(dǎo)率Mur為1，電導(dǎo)率COND=5.88×107，金屬層厚度為1 mil。

由于濾波器電路板實(shí)物的高頻特性參數(shù)計(jì)算過程非常復(fù)雜，為提高設(shè)計(jì)精度，必須首先對電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行微波級仿真。我們采用專業(yè)的高性能微波設(shè)計(jì)仿真軟件ADS2009進(jìn)行微波帶通濾波器的仿真與設(shè)計(jì)，使用ADS中的計(jì)算工具LineCalc可以計(jì)算出微帶線的寬度W、間距S和長度L，由此可得到濾波器的各段耦合線物理尺寸參數(shù)，數(shù)值如表2所示。

表2 平行線帶通濾波器微帶參數(shù)表

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，利用ADS原理圖工具可設(shè)計(jì)出的平行耦合微帶線濾波器的具體電路原理圖，如圖1所示。啟用ADS的微波仿真功能，對該原理圖進(jìn)行微波級仿真，得到仿真結(jié)果見圖2所示。

圖1 平行耦合微帶線濾波器原理圖

圖2 平行耦合微帶線濾波器仿真曲線

由圖2的仿真結(jié)果可知，該電路結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)S波段的帶通濾波器功能，但實(shí)際性能與設(shè)計(jì)目標(biāo)相差較大，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:(1)中心頻率偏差較大，圖2的曲線中心頻率為2 300 MHz左右，相比設(shè)計(jì)目標(biāo)頻率值偏低;(2)反射系數(shù)S11的數(shù)值較大，達(dá)到-10 dB左右，說明濾波器的輸入輸出阻抗不匹配。

為了改善濾波器性能，需啟動ADS的性能優(yōu)化模塊，即調(diào)用OPTIM控件，優(yōu)化濾波器的幅頻性能。ADS微波仿真軟件將啟動優(yōu)化程序，對目標(biāo)電路采取多次逼近的數(shù)學(xué)算法，以改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后，濾波器仿真性能結(jié)果見圖3所示。

圖3 平行耦合濾波器優(yōu)化曲線

根據(jù)圖3中的ADS仿真結(jié)果可知，濾波器各項(xiàng)參數(shù)已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，平行耦合微帶線濾波器原理圖初步設(shè)計(jì)完畢，由此設(shè)計(jì)出的電路板版圖如圖4所示。

圖4 平行耦合濾波器PCB版圖

2 微帶線濾波器的改進(jìn)

實(shí)際的微波帶通濾波器可采用多種不同的幾何形式，不同形式的濾波器往往存在著各自的缺陷［8］。上節(jié)設(shè)計(jì)的平行耦合線濾波器由于各平行耦合單元在同一個(gè)方向上級聯(lián)，故尺寸較大。在現(xiàn)代微波電路設(shè)計(jì)中，電路板尺寸有微型化的趨勢，因此，大尺寸結(jié)構(gòu)的濾波器，并不能很好地滿足實(shí)際的需求，有必要對其進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)夾型諧振帶通濾波器通過適當(dāng)?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對平行線耦合濾波器的改進(jìn)，一方面，它是半波長耦合微帶線濾波器的一種改良結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成、尺寸較小;另一方面，其耦合線終端開路，無需過孔接地，消除了過地孔引入的誤差［9］。因此，它具有更好的射頻通帶性能，在微波平面電路的設(shè)計(jì)中有著良好的應(yīng)用前景。

2.1 發(fā)夾型帶通濾波器設(shè)計(jì)原理

根據(jù)平行耦合微帶濾波器的設(shè)計(jì)原理，如果我們將相互平行的四段耦合微帶線并排放置，而不是級聯(lián)放置，就得到了發(fā)夾型帶通濾波器的幾何結(jié)構(gòu)雛形。如果在每段耦合微帶線之間加上一段射頻彎型接頭作為耦合部件，就構(gòu)成了最基本的微波發(fā)夾型帶通濾波器。每段平行耦合線的作用是級間帶通濾波，每段彎型接頭的作用是級間信號耦合。理想情況下，在帶通范圍內(nèi)，彎頭部分微帶線的S21=1，即信號無反射，無損耗。按此思路設(shè)計(jì)出的發(fā)夾型微波帶通濾波器的原理圖見圖5所示。

圖5 發(fā)夾式微帶帶通濾波器原理圖

對改進(jìn)型發(fā)夾式濾波器原理圖進(jìn)行仿真，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，可以得到濾波器的射頻仿真數(shù)據(jù)。根據(jù)仿真結(jié)果，啟動ADS的LayOut電路版圖設(shè)計(jì)功能，可計(jì)算出發(fā)夾式濾波器的印刷電路板(PCB)版圖結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖6所示。而圖7給出了該P(yáng)CB版圖的仿真結(jié)果，版圖仿真結(jié)果顯示:在2.3 GHz～2.5 GHz范圍內(nèi)，電路的正向傳輸系數(shù)S21＞-0.2 dB，回波損耗S11＜-30 dB輸入駐波比ρ1＜1.1，輸出駐波比ρ2＜1.2，在F=2.9 GHz時(shí)，插入損耗lI＜-28 dB，全部指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。至此，發(fā)夾型微波帶通線濾波器的仿真設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。

圖6 發(fā)夾式濾波器PCB版圖

圖7 發(fā)夾式濾波器仿真曲線

2.2 發(fā)夾型帶通濾波器實(shí)測結(jié)果

下面的工作就是將ADS生成的標(biāo)準(zhǔn)PCB版圖制成實(shí)際工業(yè)成品，并實(shí)測調(diào)試。濾波器的PCB電路板實(shí)物見圖8所示，圖9給出了該電路板的實(shí)測曲線。實(shí)測結(jié)果顯示:在2.3 GHz～2.5 GHz范圍內(nèi)，濾波器的正向傳輸系數(shù)S21＞-0.3 dB，回波損耗S11＜-28 dB輸入駐波比ρ1＜1.2，輸出駐波比ρ2＜1.2，F(xiàn)=2.9 GHz時(shí)，插入損耗lI＜-31 dB，全部指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，發(fā)夾式微波帶通濾波器的實(shí)物成品設(shè)計(jì)完成。

圖8 發(fā)夾式濾波器實(shí)物圖

圖9 發(fā)夾式濾波器實(shí)測曲線

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)緊湊的發(fā)夾式微波帶通濾波器，濾波器的紋波特性平緩，具有良好的帶通傳輸特性和深度帶外信號抑制能力，可以滿足無線藍(lán)牙、WIFI，Zigbee等多種S波段無線射頻設(shè)備的應(yīng)用要求。實(shí)物測試結(jié)果表明，濾波器的實(shí)際性能與ADS仿真結(jié)果非常接近，兩者的實(shí)測頻譜曲線大致相同。說明，ADS微波仿真系統(tǒng)對于無源微波射頻器件的仿真，具有比較高的精度和準(zhǔn)確率，是一種良好的輔助設(shè)計(jì)工具。

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Design of M icrowave Bandpass Filter Based on ADS

ZHANGQin1，LIHaihua2，CHENG Jun1，LIU Xiushan1*
(1.Guang Dong Polytechnic Normal University，Guangzhou 510665，China;2.Library of South China Agriculture University，Guangzhou 510640，China)

A bandpass filter was designed for the S-band frequency by using the ADS2009 simulation system.In order to get a wider bandwidth，a broadband matching network was presented，which is composed by both microstrip lines and lumped elements.For this filter，the operating frequency range is 2.3 GHz-2.5 GHz，with a 200 MHz relative bandwidth.The test results show that，the simulation parameters are highly closed to the real characters.It can be concluded that the ADS system really has a good simulation performance，aswell as some practical application values.

microwave;filter;simulation;coupling;ADS system

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.011

TN722.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0042-04

2013-05-11修改日期:2013-05-28

EEACC:1270

張 琴(1976-)，女，湖北興山人，廣東技術(shù)師范學(xué)院，工程師，研究方向?yàn)殡娮蛹巴ㄐ殴こ?

程 駿(1980-)，男，漢族，湖北黃石人，廣東技術(shù)師范學(xué)院，講師，研究方向?yàn)殡娮蛹巴ㄐ殴こ蹋瑂tuff_man@163.com。

李海華(1980-)，女，漢族，廣東茂名人，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館館員，研究方向?yàn)樾畔①Y源管理;