平行耦合微帶線帶通濾波器的設計仿真與測試

摘 要： 在ADS軟件的輔助下，設計出了一種應用于11 GHz頻段數字微波傳輸系統室外單元，中心頻率為11 GHz，帶寬為1.5 GHz的平行耦合微帶線帶通濾波器，并進行了實物測試，測試的[S]參數與仿真優化結果及指標要求吻合較好。

關鍵字： ADS； 平行耦合微帶線； 帶通濾波器； [S]參數

中圖分類號： TN713?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0078?03

Design simulation and measurement of the parallel coupled microstrip bandpass filter

XU Cong， TANG Xing

（Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications， Wuhan 430070， China）

Abstract： With the aid of ADS （Advanced Design System）， a parallel coupled microstrip bandpass filter is designed， which can be applied in ODU of digital microwave transmission system with 11 GHz frequency band. The centre frequency of the filter is 11 GHz， the bandwidth is 1.5 GHz. The object was tested and the performance of [S] parameter agree well with the results of the simulation optimization and the design indexes.

Keywords： ADS； parallel coupled microstrip； bandpass filter； [S] parameter

0 引 言

近年來，隨著無線通信技術的高速發展，微波射頻器件得到了越來越多的應用。濾波器是選擇有用信號，抑制無用信號的器件，高頻濾波器作為微波射頻系統中常用的無源器件之一，其性能好壞直接影響整個系統的性能。微帶濾波器具有體積小、性能好、成本低等特點，在微波射頻電路系統中得到了廣泛的應用。

1 基本原理

微帶濾波器中最常用的就是耦合微帶線濾波器，它由平行的耦合線節相連組成，構成諧振電路。平行耦合微帶傳輸線由兩個平行微帶傳輸線緊靠在一起構成，由于兩個傳輸線之間電磁場的相互作用，在兩個傳輸線之間會有功率耦合，使得射頻信號通過，阻斷低頻信號，因此，這種兩條平行的微帶線就被用來構成帶通濾波器單元。

由于單個帶通濾波器單元不能提供良好的頻率特性，工程應用中經常采用多個耦合線段級聯的形式構成帶通濾波器。一個典型的微帶濾波器結構如圖1所示，圖2為其等效電路。

圖1 典型的微帶濾波器結構

圖2 濾波器等效電路

2 設計實現

2.1 設計參數

用于11 GHz數字微波傳輸系統室外單元（ODU）的微帶帶通濾波器頻率已經達到了微波頻段，實際仿真及制作起來難度較大，對PCB板材要求也比較高。本文詳細介紹了設計微波頻段濾波器的方法，最后給出濾波器測試[S]參數與仿真優化結果進行對比。11 GHz濾波器具體設計指標如下：

（1）帶內波動1 dB；

（2）對8.8 GHz以下衰減不小于50 dB，對12.6 GHz以上衰減不小于30 dB；

（3）中心頻率為11 GHz，10.38 GHz≤3 dB帶寬≤11.62 GHz；

（4）輸入輸出阻抗均為50 Ω。

2.2 仿真設計

不同材料的印刷電路板的介電常數是不同的，從而使計算得到的耦合微帶線的參數也不一致。PCB板具體參數如下：基板厚度[H]為20 mil；基板相對介電常數Er為3.66；磁導率Mur為1；金屬電導率為1.0E+50；封裝高度Hu為（3.9E+34）mil；金屬層厚度為0.035 mm。

根據設計指標和歸一化頻率公式（1），選擇[n=4]的3 dB波紋切比雪夫低通原型濾波器，查表可得對應的低通濾波器原型的元件參數為：[g1=3.438 9；g2=][0.748 3；][g3=4.347 1；g4=0.592 0；g5=5.809 5。]

[Ω=ωcωU-ωLωωc-ωcω] （1）

利用低通濾波器原型的元件參數和BW可以確定帶通濾波器耦合傳輸線的奇模和偶模特征阻抗：[ZOi，i+1=ZO1-ZOJi，i+1+ZOJi，i+12] （2）

[ZEi，i+1=ZO1+ZOJi，i+1+ZOJi，i+12] （3）

其中：[J0，1=1ZOπBW2g0g1；Ji，i+1=1ZOπBW2gigi+1；JN，N+1=][1zOπBW2gNgN+1。]

由上面式子計算得到相應的奇模和偶模特征阻抗，見表1。

表1 耦合微帶線的奇模、偶模特性阻抗 Ω

[[i]＼0＼1＼2＼3＼4＼[ZOi，i+1]＼41.230 5＼45.090 1＼45.573 1＼45.090 2＼41.229 0＼[ZEi，i+1]＼63.620 8＼56.128 4＼55.390 8＼56.128 2＼63.919 5＼]

再利用ADS自帶的LineCalc軟件（見圖3）可以計算微帶線的尺寸，結果見表2。

表2 各節耦合微帶線尺寸 mm

[[i]＼0＼1＼2＼3＼4＼[W]＼0.984 6＼1.076 9＼1.083 4＼1.076 9＼0.979 1＼[S]＼0.238 7＼0.611 0＼0.689 6＼0.611 0＼0.234 7＼[L]＼3.673 2＼3.632 1＼3.628 9＼3.632 1＼3.674 7＼]

2.3 原理圖仿真結果分析及優化

在ADS中建立好電路，將前面計算得到的[W，S，L]參數輸入，進行仿真。其[S]參數掃描曲線圖如圖4所示，中心頻點出現了偏移。一般來說，理論值的仿真結果與實際指標要求差距較大，需要進行優化仿真。

在進行優化仿真時，主要是以濾波器的[S]參數作為優化目標進行優化仿真。[S21（S12）]是傳輸參數，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現在[S21（S12）]隨頻率變化曲線的形狀上。[S11（S22）]參數是輸入、輸出端口的反射系數，由它可以換算出輸入、輸出端的電壓駐波比。如果反射系數過大，就會導致反射損耗增大，并且影響系統的前后級匹配，使系統性能下降。使用ADS中的優化控件Optim進行優化，并用Goal控件設置[S]參數的優化目標。其原理圖如圖5所示。

圖3 ADS LineCalc界面

圖4 理論計算值仿真曲線

圖5 平行耦合微帶線帶通濾波器仿真原理圖

經過數次優化和調整，最后確定的數值為：[W1=]0.75 mm；[W2=]0.841 133 mm；[S1=]0.2 mm；[S2=]0.59 mm；[L1=]3.87 mm；[L2=]3.815 mm。

仿真所得[S]參數曲線如圖6所示，從圖中可以看出，濾波器在帶內插損為0.4 dB，帶內波動小于0.5 dB，8.8 GHz處的衰減為42 dB，12.6 GHz處的衰減為22.5 dB，各項參數基本都滿足了指標要求。

圖6 平行耦合微帶線帶通濾波器仿真結果

原理圖仿真是在完全理想的傳輸特性下進行的，仿真結果并不能準確地反映實際電路板的最終特性，這就需要考慮干擾、耦合、板材等實際因素的影響。因此，根據微帶濾波器原理圖還要進一步生成版圖，在版圖的基礎上再進行參數修改，使設計的濾波器參數達到指標要求。由優化后的原理圖生成的版圖如圖7所示。

圖7 微帶線濾波器版圖

版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算，其結果比在原理圖中仿真要準確，但是它的計算比較復雜，需要較長的時間，在此作為對原理圖設計的驗證。所以在版圖仿真前要看一下相鄰各耦合線節的微帶線寬是否相差過大，如果相差過大就會造成原理圖和版圖仿真有較大的差別，這就需要改變變量初值重新進行優化。

由原理圖直接生成的版圖仿真指標一般與設計要求有一定差距，所以需要根據版圖仿真結果與指標要求的差別來返回原理圖中進行相應的參數修改，或者直接在版圖中進行參數調整。一般而言，改變W1會影響帶內波動大小；改變W2會影響中心頻點；改變S1會影響帶外衰減；改變S2會影響帶內插損；改變L1、L2會影響中心頻點。通過不斷地調整相應參數，能得到比較好的仿真結果，如圖8所示。帶內波動及帶內插損指標比較好，但是帶外抑制指標有一定程度的惡化。

2.4 濾波器測試

將仿真完成后的版圖用DXP軟件導成電路版圖，制成PCB板后，安裝到結構件上用網絡分析儀對濾波器的各項指標進行測試，測試結果如圖9，圖10所示。由圖可見，實際制成的濾波器帶內插損比仿真結果大2 dB左右，帶內波動小于0.5 dB，帶外衰減與版圖仿真結果相差不大。可以應用于11G數字微波傳輸系統室外單元中。

圖8 微帶線帶通濾波器版圖仿真結果

圖9 濾波器[S21]參數測試曲線

圖10 濾波器[S11]參數測試曲線

3 結 語

本文運用ADS軟件輔助設計了一個實際應用于微波系統的平行耦合微帶濾波器，詳細說明了設計原理和設計方法，從最后的濾波器實物測試結果可以看到，使用ADS輔助設計方法理論計算簡單，能有效地提高工程師的效率，并且所設計的濾波器能夠滿足實際系統的指標要求。

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作者簡介：徐 聰 男，1989年出生，湖北武漢人，在讀碩士研究生。主要研究方向為電磁場與微波技術應用。

唐 興 男，1988年出生，湖南永州人，在讀碩士研究生。主要研究方向為數字通信。