基于ADS真設(shè)計(jì)的微帶帶通濾波器

引言

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)，這就需要使用濾波電路來(lái)分離有用信號(hào)和干擾信號(hào)。因此，高性能的濾波器對(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)好的射頻通信系統(tǒng)具有重要意義。微帶電路由于體積小、重量輕、頻帶寬、易于與射頻電路匹配等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在濾波電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文借助ADS2005a(Advanced Design System)仿真軟件，設(shè)計(jì)出了一種邊緣耦合的平行耦合線帶通濾波器。

基本原理

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。根據(jù)傳輸線理論，每條單獨(dú)的微帶線都等價(jià)為小段串聯(lián)電感和小段并聯(lián)電容，平行耦合線還需要考慮耦合電容和電感。

每條微帶線的特征阻抗為z0，相互耦合的部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)，微帶線的寬度為W，微帶之間的距離為S，偶模特征阻抗為ZE，奇模特征阻抗為ZO。使用單個(gè)單元電路不能獲得良好的頻率特性，可以采用如圖1所示的對(duì)稱(chēng)級(jí)聯(lián)的方法獲得良好的頻率特性。

級(jí)聯(lián)微帶帶通濾波電路的主要設(shè)計(jì)步驟如下：

1．確定濾波器的參數(shù)：根據(jù)要求的截止頻率ωH和ωL，確定歸一化選擇歸一化低通濾波電路的原型，得到歸一化設(shè)計(jì)參數(shù)g1，g2，＾gN,gN+1。

2．使用g1，g2＾gN，gN+1和BW可以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征阻抗：

3．根據(jù)微帶線的偶模和奇模阻抗，按照給定的微帶線路板的參數(shù)，使用ADS中的微帶線計(jì)算器LineCalc計(jì)算得到微帶線的幾何尺寸W、S、L。

4．連接好電路，將計(jì)算出的W、S、L輸入，掃描參數(shù)為S1.1、S1.2，進(jìn)行仿真。

5．一般來(lái)說(shuō)，理論值的仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果都有很大出入，需要進(jìn)行優(yōu)化?？梢允褂肨une工具進(jìn)行優(yōu)化，或者采用Optim工具。

6．觀察最終的優(yōu)化結(jié)果，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

設(shè)計(jì)過(guò)程

設(shè)計(jì)要求

中心頻率為5GHz，帶寬為8％，通帶內(nèi)的紋波為3 d B，要求在5．3GHz處具有不小于30dB的衰減。

微帶電路板參數(shù)如下：厚度1．27mm，介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)為Er=9．8，相對(duì)磁導(dǎo)率為Mur=1，金屬電導(dǎo)率Cond=(S／m)，金屬層厚度T=0．03mm，損耗正切角TanD=0，表面粗糙度Rough=0mm。

計(jì)算參數(shù)

1、5.3GHz的歸一化頻率為Ω=1．476。根據(jù)要求選擇濾波器原型為3dB等紋波切比雪夫低通濾波電路，在Ω=1．476處，具有大于30dB的衰減，查表可知至少需要選擇5階濾波電路，本文即選擇5階濾波電路。對(duì)應(yīng)的歸一化參數(shù)為：g0=1．0，g1=g5=3．4817，g2=g4=0．7618,g3=4．538,g6=1．0

2．通過(guò)計(jì)算可得奇模和偶模阻抗，如表1所示(單位Ω)。

3．根據(jù)微帶電路板參數(shù)，使用ADS中的微帶線計(jì)算器計(jì)算得到兩端50Ω的微帶線參數(shù)W=1．224760mm，任意選取L為2．5mm。

4．按照?qǐng)D1連接好電路，將電路圖中微帶電路板及各耦合微帶線的參數(shù)設(shè)置好，仿真的頻率掃描范圍設(shè)置為4GHz～6GHz，掃描步長(zhǎng)為10MHz，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中看出，中心頻率點(diǎn)為4．7GHz，帶寬4．4GHz～4．9GHz，為10．6％。這顯然不符合設(shè)計(jì)要求，主要是中心頻率點(diǎn)偏移太大(中心頻率點(diǎn)為5GHz，帶寬為8％)，并且通帶內(nèi)的反射系數(shù)較大(5dB)。這些參數(shù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)差距很大，因此需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

5、采用Optim進(jìn)行優(yōu)化，可得到優(yōu)化后各耦合微帶線的參數(shù)。

頻率掃描范圍設(shè)置為4．6GHz～5．4GHz，掃描步長(zhǎng)為10MHz,結(jié)果如圖3所示(選用Maker讀出圖中各點(diǎn)的參數(shù))。

6．由圖3可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的濾波器中心頻率為5．0GHz，帶寬為4．8GHz～5．2GHz，為8％，通帶內(nèi)的反射系數(shù)小于20dB，5．3GHz處的衰減達(dá)到31．8dB，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語(yǔ)

本文從邊緣耦合的平行耦合線濾波器的基本原理出發(fā)，完整地闡述了一種采用ADS2005a仿真設(shè)計(jì)微帶帶通濾波器的方法，并通過(guò)仿真設(shè)計(jì)了一個(gè)微帶帶通濾波器，從仿真結(jié)果來(lái)看，這種方法是可行的。