平行耦合微帶帶通濾波器的設計與仿真

黃 宇，王 瓊，嚴 南，陳建國

(成都理工大學 工程技術學院 電子信息與計算機工程系，四川 樂山 614000)

0 引 言

濾波器是無線通信系統的重要構成部分之一，其性能的優劣很大程度上決定了無線通信系統的工作性能[1-5]。微帶濾波器具有重量輕、頻帶寬、結構緊湊和易于集成等特點，被廣泛應用于各種微波通信電路中[6-11]。微帶濾波器傳統的設計方法是通過經驗公式和查表求得微帶濾波器的結構參數，這種設計方法過程復雜煩瑣，設計精度不高，其最后設計的微帶濾波器性能指標通常與設計指標差距較大[12-13]。近年來，隨著各種微波電路輔助設計軟件的發展，例如：Agilent公司的ADS、Ansoft公司的Designer和AWR公司的Microwave Office等，計算機輔助設計軟件在射頻電路設計方面的應用越來越廣泛。其中Agilent公司的ADS軟件(advanced design system)集多種EDA軟件的優點，可以進行時域、頻域仿真，模擬電路、數字電路仿真，線性、非線性電路仿真，其強大的仿真功能和較高的準確性，已經得到業界的普遍認可，成為業內最為流行的射頻EDA軟件，同時它也是國內各個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[14-15]。該文從平行耦合微帶帶通濾波器的設計指標出發，對平行耦合微帶帶通濾波器的結構進行設計并對帶通濾波器的結構參數進行優化，最終給出了仿真實例。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、毫米波技術、微系統技術提供了理論依據，有一定的實際意義。

1 設計過程

1.1 設計指標

平行耦合微帶帶通濾波器設計指標如表1所示。

表1 設計參數指標

在設計中，選擇的微帶和基板的結構參數為：基板厚度：0.8 mm，介電常數：4.3，磁導率：1，金屬電導率：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 設計原理

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構

(b)平行耦合微帶帶通濾波器等效電路

根據帶通濾波器和低通原型濾波器之間的頻率對應關系,計算濾波器中心頻率3.05 GHz所對應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數n。低通原型濾波器的階次n由低通到帶通的變換式決定。

1.3 原理圖設計

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

圖2 LineCalc窗口中微帶線計算結果

ADS中構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微帶單元的線寬；S表示微帶的間距；L表示微帶線的長度。

1.4 濾波器結構參數優化

為了滿足平行耦合微帶濾波器設計指標，耦合微帶線的結構參數(w1、w2、w3、s1、s2、s3、l1、l2、l3)是設計和優化的主要對象。由于平行耦合微帶濾波器結構對稱，選擇優化設置控件時設置四個優化目標,前三個是優化參數S21，優化目標1是優化通帶(頻率為2.99 GHz～3.11 GHz)的衰減>-2 dB，優化目標2、3分別是優化下邊阻帶(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。優化目標4是優化參數S11，通過對此參數的優化，主要是保證帶通濾波器在通帶內的反射系數<-20 dB。

在ADS原理圖設計窗口中選擇工具欄Optimal/Stat/DOE，點擊選擇優化控制器和四個優化目標,構建優化電路圖如圖4所示。

圖4 ADS中平行耦合微帶帶通濾波器優化電路

平行耦合微帶帶通濾波器結構參數優化后所得到的結構參數如圖5所示。

圖5 耦合微帶線的優化后的結構尺寸

1.5 仿真結果及說明

電路原理圖仿真結果如圖6所示。圖6(a)是帶通濾波器的傳輸參數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S(1,1)隨頻率的變化曲線。由圖6(a)顯示的仿真結果可以看到優化后的濾波器響應良好，通帶-阻帶過渡陡峭。在通帶3.0～3.1 GHz內，通帶內紋波<1 dB,增益平坦,穩定性好，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)顯示的仿真結果可以看到反射系數<-20 dB。圖6(c)是帶通濾波器的群時延隨頻率的變化曲線，可以看到在通帶內，群時延隨頻率的變化很小，基本上為一個常數。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降到最低,符合設計要求。

綜上：優化后的平行耦合微帶帶通濾波器的結構參數符合設計要求。

(a)通帶仿真結果 (b)輸入反射仿真結果

2 版圖設計及矩量法仿真

原理圖的仿真是在完全理想的狀態下進行的，而實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中對電路版圖進行設計并進一步仿真之后才能進行電路板的制作。本設計中，版圖的仿真采用矩量法。矩量法直接對電磁場進行計算，其結果比原理圖中仿真要準確，可利用版圖仿真的結果對原理圖設計結果進行驗證。

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

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

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

對比圖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果可以看到，所設計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等各設計指標都滿足設計要求。

3 結束語

根據ADS軟件仿真得到的平行耦合微帶濾波器微帶的線寬、線長及微帶的間距結構參數,便可以加工實物。通過利用ADS軟件設計微帶帶通濾波器的過程可以看到，與傳統理論設計方法相比，利用微波軟件(例如ADS軟件)設計方法簡化了設計過程,提高了設計的精度和效率，降低了成本，此方法對高性能濾波器設計具有重要實用價值。