基于矩量法非對稱平行耦合微帶線濾波器的設(shè)計

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學機電學院,江西景德鎮(zhèn) 333403)

隨著有線、無線通信技術(shù)的發(fā)展,微波濾波器在雷達技術(shù)、衛(wèi)星通信、電子對抗、通訊安全等領(lǐng)域得到廣泛應用。微波濾波器的作用是篩選不同頻率的信號,允許系統(tǒng)指定的信號通過,過濾干擾信號。在某些領(lǐng)域中,微波濾波器的性能對整個系統(tǒng)有決定性的作用。

濾波器發(fā)揮著日益重要的作用,因此如何精確高效地設(shè)計性能優(yōu)良的微波濾波器得到大量研究。在此背景下各種電磁仿真軟件相繼問世,為設(shè)計優(yōu)化濾波器提供了多種選擇,但是選擇不當會將簡單問題復雜化。電磁仿真軟件有各自的特點,例如 ADS(Advanced Design System)仿真效率高,優(yōu)化效果好,但是仿真優(yōu)化過程在相對理想條件下,導致仿真結(jié)果與實際情況有較大差異。版圖仿真效率低于ADS,但是其仿真準確性優(yōu)于ADS,與HFSS(High Frequency Structure Simulator)相比仿真準確性有所不及。HFSS仿真結(jié)果精確,但是算法復雜,效率較低。因此如何合理的使用仿真軟件是能否精確、高效設(shè)計濾波器的關(guān)鍵。

平行耦合線濾波器因具有相對帶寬大、與射頻電路匹配度高等優(yōu)點,而得到了深入的研究[1-9],其主要研究方法有:軟件分析法[1-8]、傳輸線理論分析法[9],本文選擇軟件分析法。文獻[1-2]設(shè)計的濾波器通帶寬、帶內(nèi)損耗小,但是通帶反射較差,由于其優(yōu)化全程在HFSS 完成,因此這種方法耗時,效率低。文獻[3]利用ADS 設(shè)計了一種五階平行耦合線濾波器,帶內(nèi)損耗小。文獻[4-5]所設(shè)計的平行耦合線濾波器帶內(nèi)損耗小,但是濾波器選擇性較低。文獻[6]制作了一種四階平行耦合微帶線帶通濾波器,其設(shè)計過程在ADS 中優(yōu)化在版圖中驗證,若不符合要求則返回ADS 再次優(yōu)化,其過程十分繁瑣耗時。文獻[7-8]闡述了一種基于ADS 高效設(shè)計平行耦合線帶通濾波器的方法,但是這種方法依賴ADS 的自動優(yōu)化,只適用于粗模型仿真得到初始結(jié)構(gòu)參數(shù),若要制作實物,后期仍需要大量時間優(yōu)化。上述文獻所設(shè)計的平行耦合線濾波器存在通帶反射差、阻帶選擇性較低、優(yōu)化方法不當?shù)葐栴}。

為了提高優(yōu)化設(shè)計濾波器的精確性、效率與阻帶選擇性,本文通過合理的使用電磁仿真軟件,在保證精確性的前提下,提高設(shè)計優(yōu)化濾波器的效率與性能。并設(shè)計優(yōu)化七階平行耦合微帶線濾波器驗證,具體措施如下:一是采用非對稱結(jié)構(gòu)來獲得更好的通帶反射;二是采用矩量法與ADS 聯(lián)合仿真優(yōu)化提高設(shè)計優(yōu)化效率,在版圖中建模,在ADS 中優(yōu)化,只在HFSS 中進行驗證與微調(diào),保證精確性的前提下,提高設(shè)計優(yōu)化效率;三是增加濾波器的階數(shù),改善其選擇性。

1 設(shè)計過程

1.1 耦合微帶線結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算

本文中設(shè)計一個七階平行耦合微帶線帶通濾波器,選擇切比雪夫低通濾波器原型,如圖1 所示。濾波器的技術(shù)指標為:中心頻率f0=4.8 GHz,帶寬(1.2±0.2) GHz,帶內(nèi)衰減≤2 dB,端口反射損耗≥25 dB,3.4 GHz 以下和6.2 GHz 以上的阻帶衰減大于50 dB。選擇基板厚h=1 mm,相對介電常數(shù)εr=2.7。設(shè)計步驟如下。

圖1 低通濾波器原型Fig.1 A low pass prototype

(1) 計算歸一化頻率:

式中:ω0為中心頻率;ωs為帶外頻率;ωh、ωl分別為通帶上邊頻與下邊頻。選擇0.1 dB 波紋的切比雪夫低通濾波器原型,查衰減曲線得N=7,可以滿足阻帶衰減要求。查表得歸一化元件值g0=g8=1.00,g1=g7=1.81,g2=g6=1.42,g3=g5=2.10,g4=1.57。

(2)計算導納變換器的導納值Ji,i+1[10]:

式中:Δf為相對帶寬;Z0是端口的阻抗。

(3) 計算各段耦合線的偶模、奇模的特性阻抗Zoe、Zoo:

式中:Z0=50 Ω。

(4) 根據(jù)基板的參數(shù)和奇偶模阻抗,利用ADS 中Line Calc 進行計算,計算結(jié)果列于表1 中,wi、si、li(i=1,2,…,8)分別為相應諧振器的寬度、間距、長度,其原理圖如圖2 所示。

表1 ADS 中濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論值與優(yōu)化值Tab.1 Theoretical and optimal values of filter structural parameters in ADS mm

圖2 七階平行耦合微帶線帶通濾波器原理圖Fig.2 Schematic diagram of seventh-order parallel coupled microstrip line bandpass filter

1.2 濾波器的仿真與優(yōu)化

以表1 中的理論結(jié)構(gòu)參數(shù)在ADS 中建模如圖3 所示,并對此模型仿真,仿真結(jié)果如圖4 所示,其通帶較理論值窄,反射損耗差,不符合設(shè)計要求,因此要對其優(yōu)化。

采用ADS 自帶的優(yōu)化功能進行優(yōu)化,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)也列于表1 中,優(yōu)化后的波形如圖4 所示。通過圖4 對比可以看出,優(yōu)化后的通帶與反射曲線均符合設(shè)計要求。將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)代入HFSS 驗證,仿真波形如圖5 所示,由圖5 觀察得HFSS 與ADS 仿真結(jié)果存在差異,尤其是反射損耗與ADS 仿真結(jié)果不符。這是ADS 原理圖仿真沒有考慮到不相鄰微帶線之間的耦合所造成。

圖3 濾波器在ADS 中仿真模型Fig.3 Simulation model of filter in ADS

圖4 濾波器在ADS 優(yōu)化前后的S 參數(shù)Fig.4 The S-parameters of filter in ADS before and after optimization

圖5 ADS 仿真結(jié)果與HFSS 仿真結(jié)果Fig.5 The simulation results of ADS and HFSS

HFSS 精度高,但是算法復雜,耗時多,為了提高優(yōu)化效率,采用版圖和原理圖聯(lián)合仿真優(yōu)化。在版圖中建模,如圖6 所示,在ADS 原理圖中進行優(yōu)化仿真,如圖7 所示,圖中的7pole 是圖6 的版圖模型,優(yōu)化結(jié)果如圖8 所示。

圖6 七階平行耦合微帶線帶通濾波器版圖模型Fig.6 Layout model of seventh-order parallel coupled microstrip line bandpass filter

圖7 ADS 中版圖與原理圖聯(lián)合仿真Fig.7 Layout and schematic joint simulation in ADS

圖8 ADS 中版圖優(yōu)化仿真結(jié)果Fig.8 Layout optimization simulation results in ADS

將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)放到HFSS 中進行驗證,如圖9 所示,性能基本達到要求,僅需微調(diào)。版圖仿真是基于矩量法,而HFSS 仿真是基于有限元法,因此兩者仿真會有所差異。版圖優(yōu)化僅僅只需要2 h 即可達到要求,而HFSS 中仿真一次就需要12 min,優(yōu)化所需時間長,顯然版圖優(yōu)化仿真省時,效率高。

在HFSS 中對參數(shù)進行微調(diào)時發(fā)現(xiàn):li影響中心頻率,隨著li的增大,中心頻率變小,wi影響其損耗,si影響其帶寬,并且隨著si的增大,帶寬變窄。在優(yōu)化過程中若采用對稱結(jié)構(gòu)很難達到預期要求,反射損耗一直達不到理想要求,于是采用非對稱結(jié)構(gòu),對參數(shù)進行微調(diào)。采用非對稱結(jié)構(gòu)并運用上述規(guī)律,對濾波器進行優(yōu)化,考慮制作工藝,將參數(shù)精度調(diào)整到0.01 mm,結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。從表2 可以看出,濾波器的結(jié)構(gòu)不完全對稱,即w1≠w8,w2≠w7,…,l3≠l6。仿真結(jié)果如圖10 所示,濾波器已達到設(shè)計要求,并且獲得比較好的性能。綜上所述,采用不對稱結(jié)構(gòu)可以提高濾波器的反射性能。

圖9 版圖優(yōu)化后HFSS 驗證結(jié)果Fig.9 HFSS verification results after layout optimization

表2 優(yōu)化后各結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 The optimized structure parameters mm

圖10 HFSS 優(yōu)化后仿真結(jié)果Fig.10 Optimized simulation results of HFSS

2 實物的制作與測量

以表2 的結(jié)構(gòu)和尺寸制作實物,實物照片如圖11所示。用網(wǎng)絡分析儀Agilent E5071B 進行測量,測量數(shù)據(jù)如圖12 所示,中心頻率為4.86 GHz,帶寬BW=1.2 GHz,插入損耗為1.2 dB,反射損耗大于25 dB,3.4 GHz 以下和6.2 GHz 以上的阻帶衰減均大于50 dB。測量結(jié)果與仿真結(jié)果相比,除中心頻率偏高外,其余均相符。

圖11 七階平行耦合微帶線帶通濾波器實物照片F(xiàn)ig.11 The photo of the seventh-order parallel coupled line bandpass filter

圖12 七階平行耦合線帶通濾波器實測曲線Fig.12 The measured curves of the seventh-order parallel coupled linebandpass filter

表3 列出了本文的測量結(jié)果與其他文獻所報道的結(jié)果,從表中看出,本文的濾波器的插入損耗小、反射特性好,矩形系數(shù)高。

表3 與其他平行耦合微帶線帶通濾波器性能對比Tab.3 Compared with other parallel coupled microstrip line bandpass filters

3 結(jié)論

提出一種濾波器的設(shè)計方法:在版圖中建立模型,將模型放到ADS 原理圖中進行仿真優(yōu)化,然后在HFSS 中進行驗證微調(diào)。該方法結(jié)合ADS 原理圖仿真優(yōu)化的省時高效與版圖仿真的準確性,大大提高了濾波器設(shè)計與優(yōu)化的效率。并用此方法設(shè)計制作了七階平行耦合微帶線濾波器,實驗驗證了矩量法的可行性與高效性,且驗證了非對稱結(jié)構(gòu)對改善濾波器的性能有良性作用。該方法與結(jié)構(gòu)可應用到其他微波元器件的設(shè)計中。