楊振國，王勇，樊高有，陳文昌

　?。ㄋ拇ù髮W(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065）

       摘要：利用ADS(Advanced Design System)設(shè)計平行耦合微帶線帶通濾波器，為了縮短設(shè)計周期，提高微帶線帶通濾波器的性能，采用ADS中的無源電路設(shè)計向?qū)Чぞ?，設(shè)計出了一種中心頻率為3.0 GHz、帶寬為60 MHz的平行耦合微帶線帶通濾波器。參數(shù)優(yōu)化后進(jìn)行電路版圖仿真。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計設(shè)計周期較短、方法切實可行，設(shè)計出的帶通濾波器滿足各項指標(biāo)要求。

　　關(guān)鍵詞：ADS；微帶線；帶通濾波器 ；版圖仿真

0引言

　　濾波器在無線通信系統(tǒng)中至關(guān)重要，可以用來分開和組合不同的頻率，起到頻帶和信道選擇的作用，并且能濾除諧波，抑制雜散。在微波系統(tǒng)中，濾波器性能的好壞對整個電路的設(shè)計起著舉足輕重的作用［1］。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，由電感電容等集總參數(shù)總元件構(gòu)成的濾波器已經(jīng)不能滿足高頻段的濾波器設(shè)計要求，而由分布參數(shù)元件構(gòu)成的微帶線濾波器不僅能滿足高頻段設(shè)計的要求［2］，而且在微波集成電路中還具有重量輕、小型化、易于集成等特點。

　　隨著市場需求的不斷提升，射頻電路的應(yīng)用頻率變得越來越高，為了滿足高速率的信號傳輸，電路的各項參數(shù)要求越來越嚴(yán)，產(chǎn)品的設(shè)計周期卻越來越短。傳統(tǒng)的微帶線濾波器設(shè)計方法是利用經(jīng)驗公式查表求出微帶線的相關(guān)參數(shù)，由于這個過程很繁瑣，計算量相當(dāng)大，而且數(shù)據(jù)不精確很容易出錯，因此本文使用美國安捷倫（Agilent）公司推出的ADS軟件，它能從頭到尾完成整個信號通路的模擬和原理圖到PCB版圖的各級仿真。利用ADS軟件中無源電路設(shè)計向?qū)Чぞ吣軌蚩焖佟⒕_地設(shè)計出高性能的平行耦合微帶線帶通濾波器［3］。

1傳輸線理論

　　傳輸線理論是從分布參數(shù)電路理論發(fā)展而來的，它是用來引導(dǎo)傳輸電磁能量和信息的裝置。傳輸線既可以作為傳輸媒介，也可以用來制作各種類型的器件。傳輸線又叫作長線，由于它具有在空間某個方向上其長度與其內(nèi)部電壓、電流的波長相比擬的特性，所以必須要考慮其參數(shù)分布性的特征。微波傳輸線是一種分布參數(shù)電路，線上的電壓和電流是時間和空間位置的二元函數(shù)，它們沿線的變化規(guī)律可以用傳輸線方程來描述［4］。

　　微帶線是微波傳輸線的重要組成之一，其幾何結(jié)構(gòu)和場結(jié)構(gòu)分別如圖1（a）、（b）所示，它由一個寬度為w、厚度為t的中心導(dǎo)帶和金屬接地板組成，導(dǎo)帶和接地板之間填充介電常數(shù)為εr的均勻介質(zhì)。微帶線的幾何結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但是它的電場磁場卻相當(dāng)復(fù)雜，在微帶線上傳輸?shù)牟⒉皇菄?yán)格的TEM波，而是準(zhǔn)TEM波。由于介質(zhì)基片的存在，場的能量主要集中在基片區(qū)域，其場分布與TEM波非常接近，故稱為準(zhǔn)TEM波［5］。

　　平行耦合微帶線濾波器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中的每一段線都是一個半波長諧振器，每段線之間的間隙是耦合組件，這段間隙的諧振邊緣可以實現(xiàn)寬帶耦合［6］。

2設(shè)計平行耦合微帶線帶通濾波器

　　帶通濾波器的設(shè)計是以低通濾波器為原型變化得到的，由低通濾波器向帶通濾波器頻率轉(zhuǎn)換的公式如式（1）：

　　根據(jù)求出的歸一化頻率點Ω和濾波器阻帶衰減指標(biāo)確定帶通濾波器的級數(shù)，參考阻帶衰減和帶內(nèi)波紋指標(biāo)，采用不同類型的設(shè)計方法查出元件參數(shù)，最后求出奇模特性阻抗和偶模特性阻抗值，其計算公式如式（2）所示：

　　其中：

　　最后可得出微帶線的寬度w、長度l、間距s。本文直接采用的ADS中的無源電路設(shè)計向?qū)Чぞ呤腔谶@些理論知識建立起來的，這種方法能直接給出微帶線帶通濾波器的模型，可以確定濾波器微帶線的級數(shù)和尺寸，簡單高效。

　　2.1濾波器的指標(biāo)

　　本文設(shè)計出的微帶線帶通濾波器的指標(biāo)為：中心頻率為3.0 GHz,帶寬為60 MHz，帶內(nèi)衰減小于3 dB,端口反射系數(shù)小于-15 dB,在頻率為2.85 GHz和3.15 GHz時阻帶衰減大于35 dB。無論是在原理圖設(shè)計過程中還是在最后的PCB版圖仿真中都要盡量使得各項參數(shù)都達(dá)到設(shè)計的最低要求。在設(shè)計過程中，要考慮到微帶線的寬度w、縫隙s和長度l等尺寸都會受到設(shè)備制造精度的影響。當(dāng)微帶線的寬度w的制作精度只有1 mil時，制作出來的微帶線寬度w與仿真設(shè)計的微帶線寬度誤差有可能達(dá)到0.5 mil，那么在實際電路中微帶線寬度w的變化就有可能影響到濾波器的性能，此時需要在原理圖仿真和版圖仿真中反復(fù)優(yōu)化和微調(diào)微帶線寬度w、長度l、間距s，當(dāng)尺寸發(fā)生微小變化后，觀察濾波器的參數(shù)是否穩(wěn)定。這樣設(shè)計出來的微帶線帶通濾波器才穩(wěn)定可靠，才能投入實際使用。

　　2.2濾波器模型子電路的生成

　　傳統(tǒng)的微帶線濾波器的設(shè)計方法要計算查表得到濾波器的級數(shù)N,然后確定標(biāo)準(zhǔn)的低通濾波器的參數(shù)，計算傳輸線奇模、偶模特性阻抗，最后利用ADS工具計算出濾波器微帶線的幾何尺寸［7］?？梢妭鹘y(tǒng)的微帶線濾波器設(shè)計方法是利用經(jīng)驗公式查表等方法求出微帶線的相關(guān)參數(shù)的，這個過程很繁瑣，計算量相當(dāng)大，而且數(shù)據(jù)不精確很容易出錯。本文使用ADS中無源電路設(shè)計向?qū)Чぞ呔湍軌蚪鉀Q這些問題，無源電路設(shè)計向?qū)Чぞ呖梢韵却_定帶通濾波器模型的大致方向，生成帶通濾波器的子電路，再進(jìn)行不斷的優(yōu)化。

　　在“Passive Circuit Design Guide”面板中選擇帶通濾波器模型“Microstrip CoupledLine Filter”,在原理圖窗口中會出現(xiàn)一個微帶線濾波器器件，在所出現(xiàn)的窗口中設(shè)置好帶通濾波器的各種參數(shù)。參數(shù)設(shè)置好以后點擊設(shè)計向?qū)Т翱诘脑O(shè)計按鈕，初步仿真結(jié)果如圖3所示。系統(tǒng)在原理圖中會自動生成一個帶通濾波器的子電路，濾波器的級數(shù)、微帶線的寬度w、縫隙s和長度l都已經(jīng)按照設(shè)置好的參數(shù)計算出來了，如圖4所示。

由圖3可見，仿真結(jié)果與所要求設(shè)計的參數(shù)相差比較大，這是因為無源電路設(shè)計向?qū)Чぞ咧荒苌梢粋€大致方向的微帶線帶通濾波器模型，在這個模型被搭建后，在后面的步驟中可以根據(jù)要求進(jìn)行反復(fù)仿真和優(yōu)化以達(dá)到設(shè)計目的。

　　從濾波器模型生成的子電路圖中可看到濾波器的級數(shù)為5，各級的微帶線的寬度w、縫隙s和長度l都已經(jīng)被計算出來，相對于傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計方法而言，這樣的設(shè)計方法周期被大大縮短，而且計算出的數(shù)據(jù)精確，不存在有手工計算錯誤的可能。

　　2.3原理圖仿真和優(yōu)化

將仿真器、微帶線參數(shù)控件、優(yōu)化參量控件等按原理圖放置并進(jìn)行連接，連接完成后的原理圖如圖5所示。本文選擇的是羅杰斯R04003C高頻線路板材料，這種材料是由玻璃纖維增強(qiáng)的碳?xì)浠衔?陶瓷基材（非PTFE）構(gòu)成［8］，具備高頻性能和線路板生產(chǎn)成本低、損耗低等特點，它還具備很多普通電路板材料不具備的優(yōu)點，比如介電常數(shù)、溫度系數(shù)比較低。選定的電路板材料參數(shù)如下：微帶線基板的相對介電常數(shù)εr為3.55，損耗正切值tanD為0.002 7,微帶線基板的厚度H為0.508 mm,微帶線的磁導(dǎo)率mur為1。

　　設(shè)置好介質(zhì)參數(shù)和掃描參數(shù)后進(jìn)行不斷的仿真和優(yōu)化，優(yōu)化后的S11和S21參數(shù)如圖6（a）、（b）所示。

　　事實上，原理圖的仿真結(jié)果是經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化而得出的一個比較理想的結(jié)果，從仿真結(jié)果可以看出，在2.97～3.03 GHz內(nèi)通帶傳輸衰減小于5 dB,端口反射系數(shù)小于-30 dB,頻率為2.85 GHz和3.15 GHz時阻帶衰減大于35 dB。原理圖仿真結(jié)果基本滿足指標(biāo)要求，在后續(xù)的版圖仿真中將會改進(jìn)通帶傳輸衰減參數(shù)。

　　2.4PCB版圖仿真和優(yōu)化

　　將已經(jīng)優(yōu)化好的濾波器電路原理圖生成PCB版圖，如圖7所示。設(shè)置好需要的微帶線和基板的參數(shù)，添加好濾波器的輸入和輸出端的兩個端口，完成仿真參數(shù)的設(shè)置后進(jìn)行仿真。在PCB版圖仿真中，由于微帶線處于高頻狀態(tài)下，所以導(dǎo)致整個電路會產(chǎn)生邊緣效應(yīng)和空間能量輻射［9］，導(dǎo)致傳輸損耗比較大，仿真結(jié)果沒有原理圖中的結(jié)果理想。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化后仿真結(jié)果如圖8（a）、（b）所示。

由版圖仿真結(jié)果可見，在2.97～3.03 GHz內(nèi)通帶傳輸衰減小于3 dB,端口反射系數(shù)小于-15 dB,頻率為2.85 GHz和3.15 GHz時阻帶衰減大于35 dB。版圖仿真的結(jié)果滿足設(shè)計要求，可以看到版圖仿真結(jié)果中端口反射系數(shù)相對于原理圖有所惡化，這是因為在版圖仿真中考慮到了微帶線基板的介電常數(shù)和損耗正切的影響，導(dǎo)致傳輸線在傳輸過程中有介質(zhì)和能量的損耗，但是仿真結(jié)果完全滿足設(shè)計要求。

3結(jié)束語

　　本文采用ADS中的無源電路設(shè)計向?qū)Чぞ呖焖佟?zhǔn)確地完成了平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計，大大提高了工作效率，不僅縮短了設(shè)計周期還避免了使用手工計算出錯的可能性?？紤]到當(dāng)前設(shè)備制造精度的影響，本文在原理圖和版圖仿真中反復(fù)微調(diào)和優(yōu)化微帶線的尺寸，確保了制造出來的微帶線帶通濾波器的高可靠性，對后續(xù)不同類型濾波器的設(shè)計具有很好的借鑒和參考意義。

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