引言
濾波器的基礎(chǔ)是諧振電路，它是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò),，對(duì)通帶內(nèi)的頻率信號(hào)呈現(xiàn)匹配傳輸,，對(duì)阻帶頻率信號(hào)失配而進(jìn)行發(fā)射衰減，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜過(guò)濾功能,。微波帶通濾波器在無(wú)線通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用,，尤其是在接收機(jī)前端。濾波器性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)接收機(jī)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,。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(jià)格低、可靠性高,、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),，因此在微波集成電路中，它是一種被廣為應(yīng)用的帶通濾波器,。
在以往設(shè)計(jì)各種濾波器時(shí),，往往需要根據(jù)大量復(fù)雜的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算及查表來(lái)確定濾波器的各級(jí)參數(shù)，這樣的方法不但復(fù)雜繁瑣,，而且所設(shè)計(jì)濾波器往往性能指標(biāo)難以達(dá)到要求,。本文將先進(jìn)的微波電路仿真軟件ADS2008與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相結(jié)合設(shè)計(jì)一個(gè)平行耦合微帶線濾波器，并進(jìn)行建模,、仿真,、優(yōu)化設(shè)計(jì),。
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(gè)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(lái)完成，但是在微帶上實(shí)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,。因此，單個(gè)耦合微帶濾波器單元能夠等效成如圖 1 (b)所示的一個(gè)導(dǎo)納倒置轉(zhuǎn)換器和接在兩邊傳輸線段的組合,。
這種單獨(dú)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(gè)帶通濾波單元難以具有良好的濾波器響應(yīng)及陡峭的通帶—阻帶過(guò)度。因此,，通常情況下,，采取級(jí)聯(lián)多個(gè)這些基本耦合單元來(lái)構(gòu)成實(shí)用的濾波器。如圖2所示為一級(jí)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(gè)耦合線節(jié)左右對(duì)稱,，長(zhǎng)度約為四分之一波長(zhǎng)(對(duì)中心頻率而言)。帶通濾波器有N + 1個(gè)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(dǎo)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：
BW為帶通濾波器的相對(duì)帶寬，g為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(shè)計(jì)
為設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法與先進(jìn)的微波電路仿真軟件ADS2008相結(jié)合,，使全部設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)換成實(shí)際的濾波器設(shè)計(jì),，圖3是平行耦合微帶線濾波器的設(shè)計(jì)的流程圖。
所設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)指標(biāo)如下：濾波器中心頻率ω0 (ω0=(ωH+ωL)/2)為2.1GHz,，相對(duì)帶寬9%;在ω為1.8GHz及2.4GHz時(shí)衰減大于35dB,，帶內(nèi)波紋為0.1dB，微帶線特性阻抗Z0為50 W,?！?/p>
(1)首先根據(jù)濾波器參數(shù)指標(biāo),，計(jì)算出濾波器低通歸一化頻率
,，查切比雪夫?yàn)V波器衰減特性表得濾波器級(jí)數(shù)N,，同時(shí)查切比雪夫?yàn)V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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(duì)磁導(dǎo)率Mur為1，電導(dǎo)率CONd為5.88E+7,，金屬層厚度為0.03mm,。使用ADS中的計(jì)算工具LineCalc計(jì)算微帶線的寬度W、間距S和長(zhǎng)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(shè)置介質(zhì)參數(shù)和掃頻參數(shù),，進(jìn)行原理圖仿真，其仿真結(jié)果如圖4所示,，可見(jiàn)中心頻率出現(xiàn)了明顯的偏移現(xiàn)象,。這是由于在設(shè)計(jì)平行耦合微帶帶通濾波器時(shí)沒(méi)有考慮邊緣場(chǎng)效應(yīng)的影響，為此需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化控制器參數(shù),。
事實(shí)上實(shí)際值比設(shè)計(jì)值偏低的主要原因是耦合單元微帶線開(kāi)路端邊緣效應(yīng)的影響,。對(duì)于開(kāi)路端微帶線 , 通常將其邊緣效應(yīng)等效為一個(gè)電容件，而這個(gè)等效電容又可以為一段附加的一定長(zhǎng)度的傳輸線所代替,。解決此問(wèn)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(shí)際電路是由電路板和微帶線構(gòu)成行計(jì)算得出的, 實(shí)際電路的性能可能會(huì)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(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行仿真，其結(jié)果比在原理圖中仿真更加準(zhǔn)確,。因此,，可以將原理圖生成版圖進(jìn)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(biāo)要求,，那么要重新回到原理圖窗口進(jìn)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(guò)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(biāo)的差別情況適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)側(cè)參數(shù),，重新進(jìn)行優(yōu)化。
(6)平行耦合帶通濾波器調(diào)試與制作
將設(shè)計(jì)的平行耦合帶通濾波器制成印刷電路板,，然后用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試微帶濾波器實(shí)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(gè)：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(shí)[9~10]。通過(guò)對(duì)以上參數(shù)的測(cè)量就可以得到微帶濾波器的各項(xiàng)參數(shù),。測(cè)量完成后,，觀察網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量結(jié)果是否達(dá)到指標(biāo)要求，并把結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相比較,。如果測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)要求相差過(guò)多,，則需要對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，直至重新進(jìn)行設(shè)計(jì),、制板,。
結(jié)語(yǔ)
本文以平行耦合微帶線帶通濾波器原理為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)方法與利用微波電路仿真工具設(shè)計(jì)濾波器的方法相結(jié)合,，設(shè)計(jì)了一個(gè)相對(duì)帶寬為9%的平行耦合帶通濾波器,，并給出仿真結(jié)果，同時(shí)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析,。仿真結(jié)果表明利用這種方法設(shè)計(jì)的平行耦合帶通濾波器達(dá)到了要求的指標(biāo),，同時(shí)使得設(shè)計(jì)工作量大大減少，精度及效率提高,。