平行耦合微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

黃 宇，王 瓊，嚴(yán) 南，陳建國(guó)

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院 電子信息與計(jì)算機(jī)工程系，四川 樂(lè)山 614000)

0 引 言

濾波器是無(wú)線通信系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分之一，其性能的優(yōu)劣很大程度上決定了無(wú)線通信系統(tǒng)的工作性能[1-5]。微帶濾波器具有重量輕、頻帶寬、結(jié)構(gòu)緊湊和易于集成等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種微波通信電路中[6-11]。微帶濾波器傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式和查表求得微帶濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這種設(shè)計(jì)方法過(guò)程復(fù)雜煩瑣，設(shè)計(jì)精度不高，其最后設(shè)計(jì)的微帶濾波器性能指標(biāo)通常與設(shè)計(jì)指標(biāo)差距較大[12-13]。近年來(lái)，隨著各種微波電路輔助設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展，例如：Agilent公司的ADS、Ansoft公司的Designer和AWR公司的Microwave Office等，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件在射頻電路設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其中Agilent公司的ADS軟件(advanced design system)集多種EDA軟件的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行時(shí)域、頻域仿真，模擬電路、數(shù)字電路仿真，線性、非線性電路仿真，其強(qiáng)大的仿真功能和較高的準(zhǔn)確性，已經(jīng)得到業(yè)界的普遍認(rèn)可，成為業(yè)內(nèi)最為流行的射頻EDA軟件，同時(shí)它也是國(guó)內(nèi)各個(gè)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[14-15]。該文從平行耦合微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)出發(fā)，對(duì)平行耦合微帶帶通濾波器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)帶通濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終給出了仿真實(shí)例。該平行耦合微帶帶通濾波器的研究可以降低成本、提高性能和集成度、使元器件微型化，為5G通信系統(tǒng)、毫米波技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)提供了理論依據(jù)，有一定的實(shí)際意義。

1 設(shè)計(jì)過(guò)程

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

平行耦合微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)

在設(shè)計(jì)中，選擇的微帶和基板的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：基板厚度：0.8 mm，介電常數(shù)：4.3，磁導(dǎo)率：1，金屬電導(dǎo)率：5.88E+7，封裝高度：1.0E+33 mm，金屬層厚度：0.03 mm，損耗角正切：1e-4,表面粗糙：0 mm。

1.2 設(shè)計(jì)原理

平行耦合微帶帶通濾波器及其等效電路如圖1所示。

(a)平行耦合微帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)

(b)平行耦合微帶帶通濾波器等效電路

根據(jù)帶通濾波器和低通原型濾波器之間的頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系,計(jì)算濾波器中心頻率3.05 GHz所對(duì)應(yīng)的低通原型濾波器的頻率，由低通原型濾波器的阻帶衰減特性曲線，查出濾波器所需的節(jié)數(shù)n。低通原型濾波器的階次n由低通到帶通的變換式?jīng)Q定。

1.3 原理圖設(shè)計(jì)

在電路中，濾波器兩邊的引出線是50歐姆的微帶線，根據(jù)采用的微帶材質(zhì)，其寬度W可由ADS軟件自帶程序LineCalc計(jì)算工具計(jì)算出：W=1.52 mm，L=13.6 mm，如圖2所示。

圖2 LineCalc窗口中微帶線計(jì)算結(jié)果

ADS中構(gòu)建的電路原理圖如圖3所示。

圖3 ADS中平行耦合微帶帶通濾波器電路原理

在電路圖中，W表示耦合單元左右相鄰兩側(cè)微帶單元的線寬；S表示微帶的間距；L表示微帶線的長(zhǎng)度。

1.4 濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為了滿足平行耦合微帶濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)，耦合微帶線的結(jié)構(gòu)參數(shù)(w1、w2、w3、s1、s2、s3、l1、l2、l3)是設(shè)計(jì)和優(yōu)化的主要對(duì)象。由于平行耦合微帶濾波器結(jié)構(gòu)對(duì)稱，選擇優(yōu)化設(shè)置控件時(shí)設(shè)置四個(gè)優(yōu)化目標(biāo),前三個(gè)是優(yōu)化參數(shù)S21，優(yōu)化目標(biāo)1是優(yōu)化通帶(頻率為2.99 GHz～3.11 GHz)的衰減>-2 dB，優(yōu)化目標(biāo)2、3分別是優(yōu)化下邊阻帶(頻率<2.8 GHz)的衰減<-40 dB和上邊阻帶(頻率>3.3 GHz)的衰減<-40 dB。優(yōu)化目標(biāo)4是優(yōu)化參數(shù)S11，通過(guò)對(duì)此參數(shù)的優(yōu)化，主要是保證帶通濾波器在通帶內(nèi)的反射系數(shù)<-20 dB。

在ADS原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇工具欄Optimal/Stat/DOE，點(diǎn)擊選擇優(yōu)化控制器和四個(gè)優(yōu)化目標(biāo),構(gòu)建優(yōu)化電路圖如圖4所示。

圖4 ADS中平行耦合微帶帶通濾波器優(yōu)化電路

平行耦合微帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后所得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示。

圖5 耦合微帶線的優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸

1.5 仿真結(jié)果及說(shuō)明

電路原理圖仿真結(jié)果如圖6所示。圖6(a)是帶通濾波器的傳輸參數(shù)S(2,1)隨頻率的變化曲線,圖6(b)是帶通濾波器的反射參數(shù)S(1,1)隨頻率的變化曲線。由圖6(a)顯示的仿真結(jié)果可以看到優(yōu)化后的濾波器響應(yīng)良好，通帶-阻帶過(guò)渡陡峭。在通帶3.0～3.1 GHz內(nèi)，通帶內(nèi)紋波<1 dB,增益平坦,穩(wěn)定性好，頻率<2.8 GHz下邊帶阻帶以及頻率>3.3 GHz的上邊帶阻帶衰減<-40 dB。由圖6(b)顯示的仿真結(jié)果可以看到反射系數(shù)<-20 dB。圖6(c)是帶通濾波器的群時(shí)延隨頻率的變化曲線，可以看到在通帶內(nèi)，群時(shí)延隨頻率的變化很小，基本上為一個(gè)常數(shù)。圖6(d)是輸入電壓駐波比隨頻率的變化曲線，可以看到,輸入電壓駐波比也已經(jīng)降到最低,符合設(shè)計(jì)要求。

綜上：優(yōu)化后的平行耦合微帶帶通濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

(a)通帶仿真結(jié)果 (b)輸入反射仿真結(jié)果

2 版圖設(shè)計(jì)及矩量法仿真

原理圖的仿真是在完全理想的狀態(tài)下進(jìn)行的，而實(shí)際電路板多的制作由于需要考慮一些干擾、耦合等因素的影響，往往和理論有很大的差距。因此，需要在ADS中對(duì)電路版圖進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)一步仿真之后才能進(jìn)行電路板的制作。本設(shè)計(jì)中，版圖的仿真采用矩量法。矩量法直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果比原理圖中仿真要準(zhǔn)確，可利用版圖仿真的結(jié)果對(duì)原理圖設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

由平行耦合微帶帶通濾波器的電路原理圖(圖4)生成的電路版圖如圖7所示。

圖7 平行耦合微帶濾波器電路版圖

對(duì)微帶帶通濾波器電路版圖進(jìn)行矩量法(momentum)仿真，得到的S參數(shù)隨頻率的變化曲線如圖8所示。

(a)端口1反射系數(shù)(S11)仿真結(jié)果 (b)反向傳輸系數(shù)(S12)仿真結(jié)果

對(duì)比圖6和圖8平行耦合微帶濾波器的原理圖和電路版圖的仿真結(jié)果可以看到，所設(shè)計(jì)的平行耦合微帶帶通濾波器在通帶的紋波、阻帶的衰減及反射系數(shù)等各設(shè)計(jì)指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)ADS軟件仿真得到的平行耦合微帶濾波器微帶的線寬、線長(zhǎng)及微帶的間距結(jié)構(gòu)參數(shù),便可以加工實(shí)物。通過(guò)利用ADS軟件設(shè)計(jì)微帶帶通濾波器的過(guò)程可以看到，與傳統(tǒng)理論設(shè)計(jì)方法相比，利用微波軟件(例如ADS軟件)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程,提高了設(shè)計(jì)的精度和效率，降低了成本，此方法對(duì)高性能濾波器設(shè)計(jì)具有重要實(shí)用價(jià)值。