超高頻帶通濾波器的設計與仿真

摘 要： 介紹一種在理論計算的基礎上，采用ADS軟件對射頻濾波器進行優化及仿真的方法，重點闡述射頻濾波器設計過程中的優化設計、器件仿真以及矩量法分析等相關內容。射頻濾波器的測試結果表明其通帶內波紋小于3dB，帶內輸入輸出端口反射系數小于-20 dB，阻帶衰減大于40 dB，相比于傳統設計方法，此方法具有可行性和有效性。

關鍵詞： 超高頻； 帶通濾波器； ADS優化； 器件仿真

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）14?0116?03

Design and simulation of ultra?high frequency bandpass filter

WANG Hao?chen， WANG Zhi?ming

（School of Mechanical Engineering， NUST， Nanjing 210094， China）

Abstract： A method based on the theoretical calculation to optimize and simulate RF filter by ADS software is introduced. The optimization design， device simulation， moment method analysis and related content in the process of RF filter design is elaborated emphatically. The test results of RF filter show that the ripple within its passband is less than 3 dB， the reflection coefficient of in?band I/O ports is less than -20 dB and stopband attenuation is greater than 40 dB. This method has higher feasibility and effectiveness， compared with the traditional design method.

Keywords： ultra?high frequency； band?pass filter； ADS optimization； component simulation

射頻濾波器在無線通信系統中至關重要，起到頻帶和信道選擇的作用，并且能濾除諧波，抑制雜散。事實上，對于大多數現代濾波器的設計，射頻/微波模擬軟件是一個絕對必要的、評估濾波器性能的工具。美國安捷倫（Agilent）公司推出的大型EDA軟件Advanced Design System?ADS就是其中的佼佼者，也是國內各大學和研究所在微波電路和通信系統仿真方面使用最多的軟件之一[1?2]。本文在理論設計的基礎上，利用ADS軟件對耦合微帶線帶通濾波器進行優化設計，節省了設計時間，提高了設計精度和設計效率。

1 理論設計

1.1 設計指標

耦合微帶線帶通濾波器的設計指標如下所示：

（1）通帶頻率范圍：902～928 MHz，中心頻率為915 MHz；

（2）帶內波紋小于3 dB；

（3）阻帶損耗：850 MHz以下及950 MHz以上衰減大于40 dB；

（4）帶內輸入/輸出端口反射系數小于-20 dB。

耦合微帶線帶通濾波器的設計采用FR?4作為基片材料，基片參數為：d=1.6 mm，Er=4.5，tan δ=0.02，銅導體的厚度t=0.035 mm。

1.2 理論計算

當頻率達到或接近GHz時，濾波器通常由分布參數元件構成，分布參數不僅可以構成低通濾波器，而且可以構成帶通和帶阻濾波器。平行耦合微帶傳輸線由兩個無屏蔽的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，這種傳輸線也因此稱為耦合傳輸線。平行耦合微帶線可以構成帶通濾波器，這種濾波器是由波長耦合線段構成，是一種常用的分布參數帶通濾波器[3]。當兩個無屏蔽的傳輸線緊靠一起時，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，這種傳輸線稱之為耦合傳輸線。根據傳輸線理論，每條單獨的微帶線都等價為小段串聯電感和小段并聯電容。每條微帶線的特性阻抗為Z0，相互耦合的部分長度為L，微帶線的寬度為W，微帶線之間的距離為S，偶模特性阻抗為Ze，奇模特性阻抗為Z0。單個微帶線單元雖然具有濾波特性，但其不能提供陡峭的通帶到阻帶的過渡。如果將多個單元級聯，級聯后的網絡可以具有良好的濾波特性[4]。濾波器設計首先要選擇適當的低通濾波器原型，濾波器的階數可以根據950 MHz頻率點的衰減大于40 dB的要求確定。利用帶通濾波器頻率變換公式如下：

要在低通濾波器原型的相應歸一化頻率點Ω=2.64處獲得40 dB的衰減，濾波器的階數至少為N=4，則需要采用5節耦合微帶線級連。根據設計指標中需要的衰減和波紋，選定采用切比雪夫設計方法，則可知具有3 dB波紋的4階切比雪夫濾波器的元件參數為g0=1，g1=3.438 9，g2=0.748 3，g3=4.347 1，g4=0.592 0，g5=5.809 5。

耦合微帶線帶通濾波器中傳輸線的奇模、偶模通過公共接地板產生耦合效應，并導致了奇模特性阻抗和偶模特性阻抗，其公式分別如下所示：

式中：

對于平行耦合微帶線而言，利用ADS軟件中的工具LineCalc，可以進行物理尺寸和電參數之間的數值計算，根據計算所得平行耦合微帶線奇模和偶模的特性阻抗，計算平行耦合微帶線導體帶的角度和間隔距離。由上述特性阻抗，可得微帶線的實際尺寸如表1所示。

表1 微帶線理論值 mm

2 ADS優化仿真

2.1 原理圖設計

利用計算所得尺寸，建立如圖1所示原理圖，并進行仿真。

圖1 理論值原理圖

仿真結果如圖2所示。

圖2 理論值原理圖仿真結果

由圖2的仿真結果可以看出，850 MHz及950 MHz以上衰減大于60 dB，符合設計要求，但是902～928 MHz之間的衰減過大，不符合設計指標，需進一步優化。

2.2 優化仿真

在進行設計時，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[5]。常用的優化方法有Random和Gradient，隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。因此，在具體的設計中，首先適當放寬各個參數的取值范圍，采用隨機法進行優化，而后參照之前隨機法優化結果，適當縮小各個參數的取值范圍，進而采用梯度法再次優化[6]。根據設計指標的要求，優化目標的設置如圖3所示。優化后的原理圖仿真結果如圖4所示。由圖3，圖4可看出，優化后的尺寸可以滿足設計指標的要求。之后可以進行版圖仿真。

2.3 版圖仿真

原理圖的仿真實在完全理性的狀態下進行的，而實際電路板的制作往往與理論有較大的差距，這就需要考慮干擾、耦合等因素的影響。因此需要在ADS中進一步對版圖仿真。

用于生成版圖的原理圖如圖5所示。

圖3 優化目標的設置

圖4 優化后原理圖仿真結果

圖5 生成版圖原理圖

由上述原理圖生成的版圖如圖6所示。

圖6 耦合微帶線帶通濾波器版圖

版圖仿真結果與原理圖仿真結果有所不同，它與原理圖仿真的方式不同，更為嚴格，因此很有可能仿真出的結果不符合要求，需返回到原理圖進行再次優化之后，再進行版圖的仿真，直到仿真結果可以達到設計指標的要求為止。版圖的仿真結果如圖7所示，由圖可以看出，設計出的尺寸符合設計指標的要求。

圖7 版圖仿真結果

3 結 語

射頻帶通濾波器的傳統設計方法大多是通過圖表查詢和曲線擬合來完成的，不但工作量大，而且設計精度不高。本文在理論計算的基礎上，采用ADS軟件對射頻濾波器進行優化及仿真，進而依據設計結果加工制作射頻濾波器器件，既減輕了設計者的勞動強度，縮短了設計周期，又提高了設計精度和設計效率。測試結果表明，此方法設計射頻濾波器是可行的和有效的。

參考文獻

[1] 鄒德慧，賴萬昌，戴振麟，等.一種基于ADS 優化的微帶帶通濾波器設計及實現[J].電測與儀表，2007（6）：31?33.

[2] 楊金偉.基于Richards變換與Kuroda規則的射頻濾波器設計[J].臺州學院學報，2006（3）：41?46.

[3] LUDWIG Reinhold，BRETCHKO Pavel.射頻電路設計理論與應用[M].北京：電子工業出版社，2012.

[4] 黃玉蘭.ADS射頻電路設計基礎與典型應用[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[5] 徐興福.ADS2008射頻電路設計與仿真實例[M].北京：電子工業出版社，2011.

[6] 馮新宇，車向前，穆秀春.DS2009射頻電路設計與仿真[M].北京：電子工業出版社，2010.