基于ADS的微帶線帶通濾波器的設計與優化

楊振國，王　勇，樊高有，陳文昌

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065)

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基于ADS的微帶線帶通濾波器的設計與優化

楊振國，王勇，樊高有，陳文昌

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065)

利用ADS(Advanced Design System)設計平行耦合微帶線帶通濾波器，為了縮短設計周期，提高微帶線帶通濾波器的性能，采用ADS中的無源電路設計向導工具，設計出了一種中心頻率為3.0 GHz、帶寬為60 MHz的平行耦合微帶線帶通濾波器。參數優化后進行電路版圖仿真。仿真結果表明，該設計設計周期較短、方法切實可行，設計出的帶通濾波器滿足各項指標要求。

ADS；微帶線；帶通濾波器 ；版圖仿真

引用格式：楊振國，王勇，樊高有，等. 基于ADS的微帶線帶通濾波器的設計與優化[J].微型機與應用，2016,35(17)：87-90,96.

0　引言

濾波器在無線通信系統中至關重要，可以用來分開和組合不同的頻率，起到頻帶和信道選擇的作用，并且能濾除諧波，抑制雜散。在微波系統中，濾波器性能的好壞對整個電路的設計起著舉足輕重的作用[1]。隨著通信技術的發展，由電感電容等集總參數總元件構成的濾波器已經不能滿足高頻段的濾波器設計要求，而由分布參數元件構成的微帶線濾波器不僅能滿足高頻段設計的要求[2]，而且在微波集成電路中還具有重量輕、小型化、易于集成等特點。

隨著市場需求的不斷提升，射頻電路的應用頻率變得越來越高，為了滿足高速率的信號傳輸，電路的各項參數要求越來越嚴，產品的設計周期卻越來越短。傳統的微帶線濾波器設計方法是利用經驗公式查表求出微帶線的相關參數，由于這個過程很繁瑣，計算量相當大，而且數據不精確很容易出錯，因此本文使用美國安捷倫(Agilent)公司推出的ADS軟件，它能從頭到尾完成整個信號通路的模擬和原理圖到PCB版圖的各級仿真。利用ADS軟件中無源電路設計向導工具能夠快速、精確地設計出高性能的平行耦合微帶線帶通濾波器[3]。

1　傳輸線理論

傳輸線理論是從分布參數電路理論發展而來的，它是用來引導傳輸電磁能量和信息的裝置。傳輸線既可以作為傳輸媒介，也可以用來制作各種類型的器件。傳輸線又叫作長線，由于它具有在空間某個方向上其長度與其內部電壓、電流的波長相比擬的特性，所以必須要考慮其參數分布性的特征。微波傳輸線是一種分布參數電路，線上的電壓和電流是時間和空間位置的二元函數，它們沿線的變化規律可以用傳輸線方程來描述[4]。

微帶線是微波傳輸線的重要組成之一，其幾何結構和場結構分別如圖1(a)、(b)所示，它由一個寬度為w、厚度為t的中心導帶和金屬接地板組成，導帶和接地板之間填充介電常數為εr的均勻介質。微帶線的幾何結構并不復雜，但是它的電場磁場卻相當復雜，在微帶線上傳輸的并不是嚴格的TEM波，而是準TEM波。由于介質基片的存在，場的能量主要集中在基片區域，其場分布與TEM波非常接近，故稱為準TEM波[5]。

圖1　微帶線結構

平行耦合微帶線濾波器的結構如圖2所示，其中的每一段線都是一個半波長諧振器，每段線之間的間隙是耦合組件，這段間隙的諧振邊緣可以實現寬帶耦合[6]。

圖2　平行耦合微帶線濾波器的結構圖

2　設計平行耦合微帶線帶通濾波器

帶通濾波器的設計是以低通濾波器為原型變化得到的，由低通濾波器向帶通濾波器頻率轉換的公式如式(1)：

(1)

根據求出的歸一化頻率點Ω和濾波器阻帶衰減指標確定帶通濾波器的級數，參考阻帶衰減和帶內波紋指標，采用不同類型的設計方法查出元件參數，最后求出奇模特性阻抗和偶模特性阻抗值，其計算公式如式(2)所示：

ZO|i,i+1=Z0[1-Z0Ji,i+1+(Z0Ji,i+1)2]

ZE|i,i+1=Z0[1+Z0Ji,i+1+(Z0Ji,i+1)2]

(2)

其中：

最后可得出微帶線的寬度w、長度l、間距s。本文直接采用的ADS中的無源電路設計向導工具是基于這些理論知識建立起來的，這種方法能直接給出微帶線帶通濾波器的模型，可以確定濾波器微帶線的級數和尺寸，簡單高效。

2.1濾波器的指標

本文設計出的微帶線帶通濾波器的指標為：中心頻率為3.0GHz,帶寬為60MHz，帶內衰減小于3dB,端口反射系數小于-15dB,在頻率為2.85GHz和3.15GHz時阻帶衰減大于35dB。無論是在原理圖設計過程中還是在最后的PCB版圖仿真中都要盡量使得各項參數都達到設計的最低要求。在設計過程中，要考慮到微帶線的寬度w、縫隙s和長度l等尺寸都會受到設備制造精度的影響。當微帶線的寬度w的制作精度只有1mil時，制作出來的微帶線寬度w與仿真設計的微帶線寬度誤差有可能達到0.5mil，那么在實際電路中微帶線寬度w的變化就有可能影響到濾波器的性能，此時需要在原理圖仿真和版圖仿真中反復優化和微調微帶線寬度w、長度l、間距s，當尺寸發生微小變化后，觀察濾波器的參數是否穩定。這樣設計出來的微帶線帶通濾波器才穩定可靠，才能投入實際使用。

2.2濾波器模型子電路的生成

傳統的微帶線濾波器的設計方法要計算查表得到濾波器的級數N,然后確定標準的低通濾波器的參數，計算傳輸線奇模、偶模特性阻抗，最后利用ADS工具計算出濾波器微帶線的幾何尺寸[7]。可見傳統的微帶線濾波器設計方法是利用經驗公式查表等方法求出微帶線的相關參數的，這個過程很繁瑣，計算量相當大，而且數據不精確很容易出錯。本文使用ADS中無源電路設計向導工具就能夠解決這些問題，無源電路設計向導工具可以先確定帶通濾波器模型的大致方向，生成帶通濾波器的子電路，再進行不斷的優化。

在“PassiveCircuitDesignGuide”面板中選擇帶通濾波器模型“MicrostripCoupled-LineFilter”,在原理圖窗口中會出現一個微帶線濾波器器件，在所出現的窗口中設置好帶通濾波器的各種參數。參數設置好以后點擊設計向導窗口的設計按鈕，初步仿真結果如圖3所示。系統在原理圖中會自動生成一個帶通濾波器的子電路，濾波器的級數、微帶線的寬度w、縫隙s和長度l都已經按照設置好的參數計算出來了，如圖4所示。

圖3　無源電路設計向導仿真結果

圖4　濾波器模型內部的子電路

由圖3可見，仿真結果與所要求設計的參數相差比較大，這是因為無源電路設計向導工具只能生成一個大致方向的微帶線帶通濾波器模型，在這個模型被搭建后，在后面的步驟中可以根據要求進行反復仿真和優化以達到設計目的。

從濾波器模型生成的子電路圖中可看到濾波器的級數為5，各級的微帶線的寬度w、縫隙s和長度l都已經被計算出來，相對于傳統的濾波器設計方法而言，這樣的設計方法周期被大大縮短，而且計算出的數據精確，不存在有手工計算錯誤的可能。

2.3原理圖仿真和優化

圖5　完成后的原理圖

將仿真器、微帶線參數控件、優化參量控件等按原理圖放置并進行連接，連接完成后的原理圖如圖5所示。本文選擇的是羅杰斯R04003C高頻線路板材料，這種材料是由玻璃纖維增強的碳氫化合物/陶瓷基材(非PTFE)構成[8]，具備高頻性能和線路板生產成本低、損耗低等特點，它還具備很多普通電路板材料不具備的優點，比如介電常數、溫度系數比較低。選定的電路板材料參數如下：微帶線基板的相對介電常數εr為3.55，損耗正切值tanD為0.002 7,微帶線基板的厚度H為0.508 mm,微帶線的磁導率mur為1。

設置好介質參數和掃描參數后進行不斷的仿真和優化，優化后的S11和S21參數如圖6(a)、(b)所示。

圖6　原理圖仿真結果

事實上，原理圖的仿真結果是經過反復優化而得出的一個比較理想的結果，從仿真結果可以看出，在2.97～3.03 GHz內通帶傳輸衰減小于5 dB,端口反射系數小于-30 dB,頻率為2.85 GHz和3.15 GHz時阻帶衰減大于35 dB。原理圖仿真結果基本滿足指標要求，在后續的版圖仿真中將會改進通帶傳輸衰減參數。

2.4PCB版圖仿真和優化

將已經優化好的濾波器電路原理圖生成PCB版圖，如圖7所示。設置好需要的微帶線和基板的參數，添加好濾波器的輸入和輸出端的兩個端口，完成仿真參數的設置后進行仿真。在PCB版圖仿真中，由于微帶線處于高頻狀態下，所以導致整個電路會產生邊緣效應和空間能量輻射[9]，導致傳輸損耗比較大，仿真結果沒有原理圖中的結果理想。經過反復調整和優化后仿真結果如圖8(a)、(b)所示。

圖7　生成PCB版圖

圖8　版圖仿真結果

由版圖仿真結果可見，在2.97～3.03 GHz內通帶傳輸衰減小于3 dB,端口反射系數小于-15 dB,頻率為2.85 GHz和3.15 GHz時阻帶衰減大于35 dB。版圖仿真的結果滿足設計要求，可以看到版圖仿真結果中端口反射系數相對于原理圖有所惡化，這是因為在版圖仿真中考慮到了微帶線基板的介電常數和損耗正切的影響，導致傳輸線在傳輸過程中有介質和能量的損耗，但是仿真結果完全滿足設計要求。

3　結束語

本文采用ADS中的無源電路設計向導工具快速、準確地完成了平行耦合微帶線帶通濾波器的設計，大大提高了工作效率，不僅縮短了設計周期還避免了使用手工計算出錯的可能性。考慮到當前設備制造精度的影響，本文在原理圖和版圖仿真中反復微調和優化微帶線的尺寸，確保了制造出來的微帶線帶通濾波器的高可靠性，對后續不同類型濾波器的設計具有很好的借鑒和參考意義。

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Design and optimization of microstrip band-pass filter based on ADS

Yang Zhenguo,Wang Yong,Fan Gaoyou,Chen Wenchang

(School of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

This paper introduces the design of parallel coupled microstrip band-pass filter based on ADS(Advanced Design System). In order to shorten the design cycle and improve the performance,a microstrip band-pass filter is designed which has a center frequency of 3.0 GHz and a bandwidth of 60 MHz with the passive circuit design guide based on ADS.The layout of circuit is simulated after parameter optimization,the simulation results show that the design cycle is short and the method is feasible,the indicators of the designed band-pass filter can meet the requirements.

ADS (Advanced Design System);microstrip;band-pass filter;layout simulation

TP713

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.026

2016-05-11)

楊振國(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：智能系統與設計。

王勇(1965-)，男，碩士生導師，副教授，主要研究方向：集成電路設計與應用。

樊高有(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：智能系統與設計。