平行耦合濾波器的仿真設(shè)計(jì)研究

黃佳暉 李鑫杰

摘要：濾波器在通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。平行耦合濾波器作為濾波電路的一種，有著輕便、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)勢(shì)。本文介紹了一種平行耦合濾波器的設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)要說明了相關(guān)的理論基礎(chǔ)，結(jié)合設(shè)計(jì)方法給出實(shí)例。此外，還就電容對(duì)濾波特性的影響進(jìn)行了討論，并總結(jié)了一些規(guī)律。

關(guān)鍵詞：平行耦合；濾波器；帶通；電容

濾波器對(duì)不同頻率信號(hào)有選擇性，允許特定頻率范圍的信號(hào)通過，阻止其他頻率信號(hào)。[1]本文采用平行耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)微帶帶通濾波器，在接入電容后，通過ADS軟件仿真，對(duì)濾波器的濾波特性進(jìn)行觀察總結(jié)。

一、濾波器的理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)方法

（一）理論基礎(chǔ)

考慮一個(gè)雙端口濾波器，采用工作衰減LA來描繪其輸入輸出特性。

LA=10lgPin[]PLdB

Pin和PL分別為負(fù)載匹配時(shí)的輸入功率和負(fù)載吸收功率。顯然LA應(yīng)該隨著頻率變化而變化。理想情況的LA在特定頻率內(nèi)衰減0dB，特定頻率外衰減為無窮。事實(shí)上，理想的濾波特性不存在，工程中使用數(shù)學(xué)多項(xiàng)式來逼近理想濾波特性。根據(jù)多項(xiàng)式的類型分為巴特沃斯、切比雪夫、橢圓函數(shù)、高斯多項(xiàng)式幾種。平行耦合相當(dāng)于諧振電路，可帶通濾波。

（二）設(shè)計(jì)方法

濾波器設(shè)計(jì)的經(jīng)典方法是低通原型綜合法，先根據(jù)指標(biāo)選擇低通原型，再頻率變換，最后用微波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

本文以巴特沃斯型帶通濾波器為例。LAr是通帶內(nèi)最大的衰減，Ω是歸一化后的頻率，Ω≥1表示阻帶，Ω≤1表示通帶，巴特沃斯響應(yīng)的傳輸函數(shù)為：

LA=10lg[1+ε（2Ω2n）]（dB）

ε=10LAr[]101

n是電抗元件數(shù)，由截止衰減LAs和歸一化截止頻率Ωs的不等式[2]給出：

n≥lg（100.1LAs-1）[]2lgΩs（1）

巴特沃斯的低通原型結(jié)構(gòu)中各元件值則可以查表獲得。

在已知低通原型結(jié)構(gòu)后，需要把低通原型中的元件用諧振電路的元件代替。諧振電路中含有多種電抗元件，為了方便計(jì)算阻抗，常用倒置變換器將電抗元件統(tǒng)一表示為電容或電感。倒置變換器的導(dǎo)納與頻率、通帶有關(guān)?？梢宰C明，倒置變換的計(jì)算公式[3]為：

J01[]Y0=πFBW[]2Ω0g0g1（2）

Jk，k+1[]Y0=πFBW[]2Ω01[]gkgk+1（3）

Jn，n+1[]Y0=πFBW[]2Ω0gngn+1（4）

其中k=1，2……n1，F(xiàn)BW是通帶寬度，Ω0是中心頻率。

倒置變換后的電路可以計(jì)算各耦合線節(jié)奇偶模阻抗[3]：

（Z00）s=1[]Y01-Js-1，s[]Y0+（Js-1，s[]Y0）2（5）

（Z0e）s=1[]Y01+Js-1，s[]Y0+（Js-1，s[]Y0）2（6）

s=1，2……n+1

只要給定板材，就可以根據(jù)奇偶模阻抗計(jì)算出各段微帶線線長(zhǎng)和線寬，目前安捷倫公司的ADS仿真軟件可以快速準(zhǔn)確地完成計(jì)算工作。

二、濾波器的初步設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)指標(biāo)：中心頻率3.5GHz，帶寬0.8GHz，在2.7GHz上衰減不少于20dB，特性阻抗均為50Ω，板材介電常數(shù)Er=2.7，介質(zhì)基片厚度H=1mm，金屬片厚度T=0.05mm。

根據(jù)公式1可以估計(jì)到濾波器階數(shù)為7，計(jì)算可得低通原型元件值，套用公式2、3、4、5、6可得各段耦合處奇偶模阻抗的估計(jì)值。

在ADS的linecal模塊中完成對(duì)微帶線長(zhǎng)寬的計(jì)算，在輸入、輸出端口加50Ω?jìng)鬏斁€完成匹配，得到原理設(shè)計(jì)圖后進(jìn)行仿真可得S參數(shù)曲線，見圖1。

三、電容對(duì)濾波器的影響

在電路加工中會(huì)引入雜散電容，因此有必要討論電容對(duì)濾波器的影響。

在各耦合節(jié)處與地間用等電容值的電容連接，分別以電容值為0.1pF、0.5pF、1.0pF、2.0pF為例，繪制S參數(shù)曲線如圖1?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著并聯(lián)電容增大，通帶向低頻段移動(dòng)，通帶變窄，波紋系數(shù)增大，濾波特性惡化。

四、結(jié)語

本次仿真設(shè)計(jì)展現(xiàn)了平行耦合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，研究中發(fā)現(xiàn)外接電容對(duì)濾波器的頻率特性有較大的影響。本文總結(jié)了一些規(guī)律經(jīng)驗(yàn)，為此類濾波器的優(yōu)化調(diào)試提供了一些思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]童詩白，華成英主編.清華大學(xué)電子學(xué)教研組編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].5版.北京：高等教育出版社，2015，7：303304.

[2]雷振亞.射頻/微波電路導(dǎo)論[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2005.8：8794.

[3]李睿.移動(dòng)通信微波集成雙工器的分析設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué)，2004.

[4]鐘蔚杰，楊景曙.微帶線帶通濾波器的ADS輔助設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2008，30（3）：8890.