基于ADS的微波帶通濾波器的研究與設計

張 琴，李海華，程 駿，柳秀山*

(1.廣東技術師范學院，廣州510665;2.華南農業大學圖書館，廣州510640)

基于ADS的微波帶通濾波器的研究與設計

張 琴1，李海華2，程 駿1，柳秀山1*

(1.廣東技術師范學院，廣州510665;2.華南農業大學圖書館，廣州510640)

基于ADS2009微波仿真設計系統，設計出一款適合于S波段的微波帶通濾波器，本設計使用了寬帶匹配技術，結合微帶線和集總元件設計出寬帶的匹配網絡。濾波器適用頻率范圍:2.3 GHz～2.5 GHz，可用帶寬WB=200 MHz，帶內紋波小于0.5 dB，帶內插損lI＜1 dB。實物測試結果表明，濾波器的性能參數與仿真結果高度接近，說明ADS微波仿真系統具有較高的仿真精度和較好的的實際應用價值。

微波;濾波器;仿真;耦合;ADS系統

微波帶通濾波器廣泛應用于現代無線通信系統的諸多方面，對微波射頻系統的通信質量起著至關重要的作用。尤其是在混頻通信單元中，帶通濾波器承擔著濾除高頻交調分量、選擇有用信號、抑制雜散輻射的作用，直接決定了混頻系統輸出信號的頻譜純度［1］。因此，微波濾波器的研究與設計，一直是無線射頻通信領域的一項重要技術內容。

1 平行耦合微帶線濾波器的設計與分析

1.1 平行耦合微帶線濾波器的原理與結構

兩根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，這種傳輸線稱為耦合傳輸線［2］。當傳輸線的長度等于傳輸信號波長的1/4時，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成，而每一段耦合線又可等效為一種復雜的諧振電路結構，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，此數值必須精確計算，它決定了濾波器的通帶阻帶等多項濾波性能，可由式(2)確定［7］:

1.2 濾波器低通數學模型計算

一款實用的微波帶通濾波器設計要求如下:中心頻率ω0=2.4 GHz，相對帶寬WBω=8%，帶內波紋為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，插入損耗lI＞25 dB，微帶線接頭特性阻抗Z0為50Ω。

要設計出以上的濾波器，根據濾波器低通原型理論，首先應選擇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。當切比雪夫低通濾波器原型N=3時，查詢切比雪夫原型系數表，得到基本濾波系數為:g0=1，g1=1.596 3，g2= 1.096 7，g3=1;將濾波器原型系數代入式(1)，計算出濾波器的奇模偶模特性阻抗，數值如表1所示。

表1 平行線帶通濾波器奇偶模系數表

1.3 濾波器PCB版圖設計

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

由于濾波器電路板實物的高頻特性參數計算過程非常復雜，為提高設計精度，必須首先對電路結構進行微波級仿真。我們采用專業的高性能微波設計仿真軟件ADS2009進行微波帶通濾波器的仿真與設計，使用ADS中的計算工具LineCalc可以計算出微帶線的寬度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，數值如表2所示。

表2 平行線帶通濾波器微帶參數表

根據表2的計算結果，利用ADS原理圖工具可設計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，對該原理圖進行微波級仿真，得到仿真結果見圖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的仿真結果可知，該電路結構已經能夠實現S波段的帶通濾波器功能，但實際性能與設計目標相差較大，主要體現在兩個方面:(1)中心頻率偏差較大，圖2的曲線中心頻率為2 300 MHz左右，相比設計目標頻率值偏低;(2)反射系數S11的數值較大，達到-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的性能優化模塊，即調用OPTIM控件，優化濾波器的幅頻性能。ADS微波仿真軟件將啟動優化程序，對目標電路采取多次逼近的數學算法，以改進電路結構。優化后，濾波器仿真性能結果見圖3所示。

圖3 平行耦合濾波器優化曲線

根據圖3中的ADS仿真結果可知，濾波器各項參數已經達到設計要求，平行耦合微帶線濾波器原理圖初步設計完畢，由此設計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

實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］。上節設計的平行耦合線濾波器由于各平行耦合單元在同一個方向上級聯，故尺寸較大。在現代微波電路設計中，電路板尺寸有微型化的趨勢，因此，大尺寸結構的濾波器，并不能很好地滿足實際的需求，有必要對其進行改進。

發夾型諧振帶通濾波器通過適當的拓撲結構實現對平行線耦合濾波器的改進，一方面，它是半波長耦合微帶線濾波器的一種改良結構，結構緊湊，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計中有著良好的應用前景。

2.1 發夾型帶通濾波器設計原理

根據平行耦合微帶濾波器的設計原理，如果我們將相互平行的四段耦合微帶線并排放置，而不是級聯放置，就得到了發夾型帶通濾波器的幾何結構雛形。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，就構成了最基本的微波發夾型帶通濾波器。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，彎頭部分微帶線的S21=1，即信號無反射，無損耗。按此思路設計出的發夾型微波帶通濾波器的原理圖見圖5所示。

圖5 發夾式微帶帶通濾波器原理圖

對改進型發夾式濾波器原理圖進行仿真，并進行參數優化，可以得到濾波器的射頻仿真數據。根據仿真結果，啟動ADS的LayOut電路版圖設計功能，可計算出發夾式濾波器的印刷電路板(PCB)版圖結構，結果如圖6所示。而圖7給出了該PCB版圖的仿真結果，版圖仿真結果顯示:在2.3 GHz～2.5 GHz范圍內，電路的正向傳輸系數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，插入損耗lI＜-28 dB，全部指標達到設計要求。至此，發夾型微波帶通線濾波器的仿真設計已經完成。

圖6 發夾式濾波器PCB版圖

圖7 發夾式濾波器仿真曲線

2.2 發夾型帶通濾波器實測結果

下面的工作就是將ADS生成的標準PCB版圖制成實際工業成品，并實測調試。濾波器的PCB電路板實物見圖8所示，圖9給出了該電路板的實測曲線。實測結果顯示:在2.3 GHz～2.5 GHz范圍內，濾波器的正向傳輸系數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=2.9 GHz時，插入損耗lI＜-31 dB，全部指標達到設計要求，發夾式微波帶通濾波器的實物成品設計完成。

圖8 發夾式濾波器實物圖

圖9 發夾式濾波器實測曲線

3 結論

本文設計了一款結構緊湊的發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，可以滿足無線藍牙、WIFI，Zigbee等多種S波段無線射頻設備的應用要求。實物測試結果表明，濾波器的實際性能與ADS仿真結果非常接近，兩者的實測頻譜曲線大致相同。說明，ADS微波仿真系統對于無源微波射頻器件的仿真，具有比較高的精度和準確率，是一種良好的輔助設計工具。

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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 文獻標識碼: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，廣東技術師范學院，工程師，研究方向為電子及通信工程;

程 駿(1980-)，男，漢族，湖北黃石人，廣東技術師范學院，講師，研究方向為電子及通信工程，stuff_man@163.com。

李海華(1980-)，女，漢族，廣東茂名人，華南農業大學圖書館館員，研究方向為信息資源管理;