摘要：文中介紹了設計平行耦合帶通濾波器的方法和流程，以相對帶寬為9%的平行耦合濾波器為例闡述了具體設計過程，并對濾波器設計工程中原理圖與版圖仿真結(jié)果的差異進行分析對比，給出具體的調(diào)試解決方案。借助于射頻微波EDA工具ADS2008進行優(yōu)化仿真，高效地完成了帶通濾波器的設計，達到了設計要求。

　　關鍵詞：帶通濾波器;ADS軟件;平行耦合微帶線

　　引言

　　濾波器的基礎是諧振電路，它是一個二端口網(wǎng)絡，對通帶內(nèi)的頻率信號呈現(xiàn)匹配傳輸，對阻帶頻率信號失配而進行發(fā)射衰減，從而實現(xiàn)信號頻譜過濾功能。微波帶通濾波器在無線通信系統(tǒng)中起著至關重要的作用，尤其是在接收機前端。濾波器性能的優(yōu)劣直接影響到整個接收機性能的好壞，它不僅起到頻帶和信道選擇的作用，而且還能濾除諧波，抑制雜散[1]。平行耦合微帶線濾波器是一種分布參數(shù)濾波器，它是由微帶線或耦合微帶線組成，其具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、價格低、可靠性高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，因此在微波集成電路中，它是一種被廣為應用的帶通濾波器[2~4]。

　　在以往設計各種濾波器時，往往需要根據(jù)大量復雜的經(jīng)驗公式計算及查表來確定濾波器的各級參數(shù)，這樣的方法不但復雜繁瑣，而且所設計濾波器往往性能指標難以達到要求。本文將先進的微波電路仿真軟件ADS2008與傳統(tǒng)的設計方法相結(jié)合設計一個平行耦合微帶線濾波器，并進行建模、仿真、優(yōu)化設計

　　平行耦合微帶線帶通濾波器

　　邊緣耦合的平行耦合線由兩條相互平行且靠近的微帶線構(gòu)成，單個帶通濾波器單元如圖1(a)所示。根據(jù)傳輸線理論及帶通濾波器理論，帶通濾波元件是由串臂上的諧振器和并臂上的諧振器來完成，但是在微帶上實現(xiàn)相間的串聯(lián)和并聯(lián)諧振元件尤為困難，為此可采用倒置轉(zhuǎn)換器將串并聯(lián)電路轉(zhuǎn)化為諧振元件全部串聯(lián)或全部并聯(lián)在線上[2]。因此，單個耦合微帶濾波器單元能夠等效成如圖 1 (b)所示的一個導納倒置轉(zhuǎn)換器和接在兩邊傳輸線段的組合[5~8]。

　這種單獨耦合線節(jié)單元雖然具有典型的帶通濾波器的特性，但是單個帶通濾波單元難以具有良好的濾波器響應及陡峭的通帶—阻帶過度。因此，通常情況下，采取級聯(lián)多個這些基本耦合單元來構(gòu)成實用的濾波器。如圖2所示為一級聯(lián)耦合微帶線節(jié)單元構(gòu)成的帶通濾波器的典型結(jié)構(gòu)，其每一個耦合線節(jié)左右對稱，長度約為四分之一波長(對中心頻率而言)。帶通濾波器有N + 1個圖1所示的耦合線帶通濾波器單元構(gòu)成，而每一段耦合線又可等效為如圖1(b)所示的電路結(jié)構(gòu)，因此導納倒置轉(zhuǎn)換器之間為特性阻抗為Z0、電角度為2θ的傳輸線段。Z0o與Z0e分別為耦合線的奇模與偶模特性阻抗，并可由下列公式確定[2]：
 

　　BW為帶通濾波器的相對帶寬，g為標準低通濾波器參數(shù)，Z0為濾波器輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗，下標i，i+1表示如圖2所示的耦合段單元。

　　平行耦合帶通濾波器設計

　　為設計出符合要求的帶通濾波器，可以將傳統(tǒng)的平行耦合微帶線設計方法與先進的微波電路仿真軟件ADS2008相結(jié)合，使全部設計要求轉(zhuǎn)換成實際的濾波器設計，圖3是平行耦合微帶線濾波器的設計的流程圖。

        所設計濾波器參數(shù)指標如下：濾波器中心頻率ω0 (ω0=(ωH+ωL)/2)為2.1GHz，相對帶寬9%;在ω為1.8GHz及2.4GHz時衰減大于35dB，帶內(nèi)波紋為0.1dB，微帶線特性阻抗Z0為50 W。

　　(1)首先根據(jù)濾波器參數(shù)指標，計算出濾波器低通歸一化頻率 ，查切比雪夫濾波器衰減特性表得濾波器級數(shù)N，同時查切比雪夫濾波器元件參數(shù)表可知具有帶內(nèi)波紋0.1dB的6階切比雪夫標準低通濾波器參數(shù)g0=g6=1，g1=g5=1.1468，g2=g4=1.3712，g3=1.9750。

　　(2)根據(jù)濾波器設計要求得到濾波器帶寬，從而根據(jù)公式(1)，(2)得到參數(shù)Ji,i+1和奇偶模阻抗的值如表1所示。

(3)選定電路板材參數(shù)如下：厚度h為0.5mm，介電常數(shù) 為4.2，相對磁導率Mur為1，電導率Cond為5.88E+7，金屬層厚度為0.03mm。使用ADS中的計算工具LineCalc計算微帶線的寬度W、間距S和長度L。由此得到的各耦合段物理尺寸參數(shù)如表2所示。

　　(4)原理圖的仿真優(yōu)化。將上述結(jié)構(gòu)尺寸輸入ADS中，并設置介質(zhì)參數(shù)和掃頻參數(shù)，進行原理圖仿真，其仿真結(jié)果如圖4所示，可見中心頻率出現(xiàn)了明顯的偏移現(xiàn)象。這是由于在設計平行耦合微帶帶通濾波器時沒有考慮邊緣場效應的影響，為此需要進行優(yōu)化設定優(yōu)化目標及優(yōu)化控制器參數(shù)。

　　事實上實際值比設計值偏低的主要原因是耦合單元微帶線開路端邊緣效應的影響。對于開路端微帶線 , 通常將其邊緣效應等效為一個電容件，而這個等效電容又可以為一段附加的一定長度的傳輸線所代替。解決此問題可以利用ADS的優(yōu)化功能，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖5所示，優(yōu)化原理圖如圖6所示。

　　(5)微帶濾波器的實際電路是由電路板和微帶線構(gòu)成行計算得出的, 實際電路的性能可能會與原理仿真圖的結(jié)果有很大的差別。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行仿真，其結(jié)果比在原理圖中仿真更加準確。因此，可以將原理圖生成版圖進行矩量法(Momentm)仿真。矩量法仿真結(jié)果如圖7所示。

　　仿真得到的曲線不能滿足指標要求，那么要重新回到原理圖窗口進行優(yōu)化仿真，產(chǎn)生這種情況的原因是相鄰耦合線節(jié)間的線寬相差過大或者其他參數(shù)取值不適合，這些可以改變優(yōu)化變量的初值，也可以根據(jù)曲線與指標的差別情況適當調(diào)整優(yōu)化目標側(cè)參數(shù)，重新進行優(yōu)化。

　　(6)平行耦合帶通濾波器調(diào)試與制作

　　將設計的平行耦合帶通濾波器制成印刷電路板，然后用網(wǎng)絡分析儀測試微帶濾波器實際電路。調(diào)試系統(tǒng)方框圖如圖8所示。

　　需要調(diào)試的參數(shù)主要有以下幾個：輸入輸出端口的反射參數(shù)S11，S22;通帶內(nèi)衰減和阻帶內(nèi)衰減S21。S12;群延時[9~10]。通過對以上參數(shù)的測量就可以得到微帶濾波器的各項參數(shù)。測量完成后，觀察網(wǎng)絡分析儀的測量結(jié)果是否達到指標要求，并把結(jié)果與實際測量結(jié)果相比較。如果測試結(jié)果與設計要求相差過多，則需要對電路進行調(diào)整，直至重新進行設計、制板。

　　結(jié)語

　　本文以平行耦合微帶線帶通濾波器原理為基礎，將傳統(tǒng)的濾波器設計方法與利用微波電路仿真工具設計濾波器的方法相結(jié)合，設計了一個相對帶寬為9%的平行耦合帶通濾波器，并給出仿真結(jié)果，同時對仿真結(jié)果進行了分析。仿真結(jié)果表明利用這種方法設計的平行耦合帶通濾波器達到了要求的指標，同時使得設計工作量大大減少，精度及效率提高。