微帶抽頭線發(fā)夾型帶通濾波器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化*

在射頻通信系統(tǒng)中，無(wú)論是發(fā)射機(jī)還是接收機(jī)都需要選擇特定頻率的信號(hào)進(jìn)行處理，濾除其他頻率的干擾信號(hào)。在射頻通信系統(tǒng)中，通常都需要使用濾波電路用來(lái)分離有用的信號(hào)。因此，濾波器［1-2］的性能和可靠性在系統(tǒng)中至關(guān)重要。根據(jù)信號(hào)頻率的高低分別選擇不同的參數(shù)分布電路，在較低的射頻信號(hào)時(shí)，可以采用集總參數(shù)濾波電路。當(dāng)射頻信號(hào)頻率較高時(shí)，采用分布參數(shù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波電路。而使用微帶線可以方便地構(gòu)造分布參數(shù)的濾波電路。微帶發(fā)夾型帶通濾波器在微波集成電路中應(yīng)用廣泛。

1 濾波器的基本原理

1.1 發(fā)夾型帶通濾波器［3］

微帶發(fā)夾型帶通濾波器是是一種分布參數(shù)濾波器，它由若干個(gè)發(fā)夾型諧振器并排排列耦合而成。它是一種結(jié)構(gòu)緊湊、終端開(kāi)路無(wú)需通過(guò)過(guò)孔接地的濾波器。這種濾波器可以通過(guò)平行線耦合或者半波長(zhǎng)耦合諧振器折合成“U”字形成。它的信號(hào)輸入輸出方式有兩種:抽頭式和平行耦合式，本文采用抽頭方式輸入輸出。濾波器的性能主要由發(fā)夾臂長(zhǎng)、發(fā)夾間距、發(fā)夾線寬、和抽頭位置等決定。

1.2 濾波器各參數(shù)的設(shè)計(jì)［4-6］

為了設(shè)計(jì)一個(gè)符合特殊要求的帶通濾波器結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)計(jì)算。要將全部設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)換成實(shí)際的濾波器設(shè)計(jì)，需要按以下步驟進(jìn)行:

(1)選擇標(biāo)準(zhǔn)的低通濾波器參數(shù)。利用帶通濾波器的頻率轉(zhuǎn)換公式，確定歸一化頻率。根據(jù)需要的衰減和波紋，選定采用巴特沃斯或切比雪夫設(shè)計(jì)方法，確定濾波器的階數(shù)和合適的標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)g1，g2，…，gN，gN+1。

頻率轉(zhuǎn)換公式:

歸一化帶寬

(2)用g1，g2，…，gN，gN+1和BW確定帶通濾波器電路中的設(shè)計(jì)參數(shù)耦合傳輸線的奇模和偶模的特性阻抗:

對(duì)于抽頭位置l，可估算為:

式中，R為源內(nèi)阻;L=λg/4;濾波器發(fā)夾臂長(zhǎng)為λg/4;為濾波器中心頻率的自由傳播波長(zhǎng)，有效介電常數(shù)為:

式中，εre為基片的相對(duì)介電常數(shù);h為基片厚度;w為微帶線線寬。

(3)根據(jù)微帶線的偶模、奇膜阻抗，按照給定的微帶線路板的參數(shù)，借助ADS自帶的傳輸線LineCalc計(jì)算工具，計(jì)算得到每級(jí)微帶線的幾何尺寸W，S，L。

2 微帶發(fā)夾型帶通濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)例［7-8］

設(shè)計(jì)目標(biāo):中心頻率f0=4.8 GHz，帶寬200 MHz，在f=5.0 GHz及4.6 GHz上減不小于20 dB，通帶波紋3 dB，輸入輸出特性阻抗為50 Ω。在4.8 GHz時(shí)的仿真參數(shù)為:介電常數(shù)εr=3.6，基板厚度h=10 mil，損耗正切角tanD=0，相對(duì)磁導(dǎo)率Mur=1。

通過(guò)頻率變換公式計(jì)算得到歸一化中心頻率為1.96 GHz獲得20 dB衰減，濾波器的階數(shù)至少為3。為了能更好的達(dá)到濾波器的指標(biāo)特性，本文采用濾波器的階數(shù)為5，根據(jù)表1得到，具有3 dB波紋的5階切比雪夫?yàn)V波器的元件參數(shù)為:

表1 切比雪夫?yàn)V波器原件參數(shù)(3 dB波紋，N=1，2，3，…，8)

圖1 ADS Linecalc模塊

下面根據(jù)式(3)，計(jì)算出各階耦合微帶線的奇偶模阻抗，并利用ADS自帶的傳輸線LineCalc計(jì)算工具，如圖1所示。

計(jì)算得到每級(jí)微帶線的幾何尺寸W，S，L。如表2所示。

表2 各階耦合微帶線參數(shù)列表

由式(4)計(jì)算出，濾波器的抽頭位置約為1.1 mm，并將抽頭位置和表2中的結(jié)構(gòu)尺寸輸入ADS中相對(duì)應(yīng)的耦合微帶線處，并設(shè)置微帶電路板的參數(shù)和S參數(shù)的頻率掃描范圍，步進(jìn)長(zhǎng)度，然后進(jìn)行原理圖仿真。圖2是理論計(jì)算值的仿真原理圖，圖3是仿真結(jié)果。

圖2 微帶線發(fā)夾型帶通濾波器設(shè)計(jì)原理圖

圖3 傳輸、反射系數(shù)仿真曲線圖

經(jīng)過(guò)分析仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了基本的濾波器形狀，但是中心頻率點(diǎn)偏移非常嚴(yán)重，離設(shè)計(jì)目標(biāo)還有一定的距離，因此需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。利用ADS中Optim控件和目標(biāo)控件Goal，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，然后進(jìn)行仿真得到優(yōu)化結(jié)果，從結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)我們?cè)絹?lái)越接近目標(biāo)。待仿真結(jié)束后，我們利用手動(dòng)調(diào)諧一邊調(diào)節(jié)參數(shù)，一邊觀察結(jié)果，最終得到想要的結(jié)果。圖4為優(yōu)化原理圖，圖5是優(yōu)化后生成的仿真結(jié)果，由圖5中可以看出，在通帶內(nèi)波動(dòng)很小，而在4.6 GHz處和5.0 GHz處只能達(dá)到20 dB的衰減，而在4.5 GHz左右能達(dá)到40 dB的衰減，這是該濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。

ADS版圖的仿真是采用矩量法直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果更接近實(shí)際，更具有意義。

圖4 微帶線發(fā)夾型帶通濾波器優(yōu)化原理圖

圖5 優(yōu)化后的S參數(shù)曲線圖

下面我們利用對(duì)版圖進(jìn)行仿真，首先我們要生成版圖(圖6)，由優(yōu)化后的原理圖生成的版圖，根據(jù)版圖再次調(diào)節(jié)優(yōu)化原理圖，得到形狀更加完美的版圖，最終我們得到的發(fā)夾寬度大小約為25 mm左右。

圖6 微帶發(fā)夾型濾波器版圖

接著我們對(duì)電路版圖進(jìn)行矩量法Momentum仿真，仿真結(jié)果如圖7。

由圖7可以看出版圖仿真得到的曲線接近指標(biāo)要求。版圖的仿真是采用矩量法直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，考慮了實(shí)際因素，其結(jié)果比在原理圖中仿真更加真實(shí)。

圖7 微帶發(fā)夾型帶通濾波器版圖仿真曲線

3 結(jié)論

本文從耦合微帶線的基本理論出發(fā)，詳細(xì)地介紹了一種利用ADS來(lái)進(jìn)行微帶發(fā)夾型帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法，首先根據(jù)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)出濾波器的參數(shù)初值，然后設(shè)計(jì)并優(yōu)化出達(dá)到預(yù)期的微帶發(fā)夾型帶通濾波器。從本次的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以看出，濾波器的指標(biāo)性能與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。

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