楊振國(guó),，王勇,，樊高有，陳文昌
?。ㄋ拇ù髮W(xué) 電子信息學(xué)院,，四川 成都 610065）
摘要：利用ADS(Advanced Design System)設(shè)計(jì)平行耦合微帶線帶通濾波器，為了縮短設(shè)計(jì)周期，提高微帶線帶通濾波器的性能,，采用ADS中的無(wú)源電路設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ?，設(shè)計(jì)出了一種中心頻率為3.0 GHz、帶寬為60 MHz的平行耦合微帶線帶通濾波器,。參數(shù)優(yōu)化后進(jìn)行電路版圖仿真,。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)周期較短,、方法切實(shí)可行,，設(shè)計(jì)出的帶通濾波器滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞：ADS,；微帶線,；帶通濾波器 ；版圖仿真
0引言
濾波器在無(wú)線通信系統(tǒng)中至關(guān)重要,，可以用來(lái)分開(kāi)和組合不同的頻率,，起到頻帶和信道選擇的作用，并且能濾除諧波,，抑制雜散,。在微波系統(tǒng)中，濾波器性能的好壞對(duì)整個(gè)電路的設(shè)計(jì)起著舉足輕重的作用［1］,。隨著通信技術(shù)的發(fā)展,，由電感電容等集總參數(shù)總元件構(gòu)成的濾波器已經(jīng)不能滿足高頻段的濾波器設(shè)計(jì)要求，而由分布參數(shù)元件構(gòu)成的微帶線濾波器不僅能滿足高頻段設(shè)計(jì)的要求［2］,，而且在微波集成電路中還具有重量輕、小型化,、易于集成等特點(diǎn),。
隨著市場(chǎng)需求的不斷提升，射頻電路的應(yīng)用頻率變得越來(lái)越高,，為了滿足高速率的信號(hào)傳輸,，電路的各項(xiàng)參數(shù)要求越來(lái)越嚴(yán)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期卻越來(lái)越短,。傳統(tǒng)的微帶線濾波器設(shè)計(jì)方法是利用經(jīng)驗(yàn)公式查表求出微帶線的相關(guān)參數(shù),，由于這個(gè)過(guò)程很繁瑣，計(jì)算量相當(dāng)大,，而且數(shù)據(jù)不精確很容易出錯(cuò),，因此本文使用美國(guó)安捷倫（Agilent）公司推出的ADS軟件，它能從頭到尾完成整個(gè)信號(hào)通路的模擬和原理圖到PCB版圖的各級(jí)仿真,。利用ADS軟件中無(wú)源電路設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ吣軌蚩焖?、精確地設(shè)計(jì)出高性能的平行耦合微帶線帶通濾波器［3］。
1傳輸線理論
傳輸線理論是從分布參數(shù)電路理論發(fā)展而來(lái)的,，它是用來(lái)引導(dǎo)傳輸電磁能量和信息的裝置,。傳輸線既可以作為傳輸媒介,，也可以用來(lái)制作各種類型的器件。傳輸線又叫作長(zhǎng)線,，由于它具有在空間某個(gè)方向上其長(zhǎng)度與其內(nèi)部電壓,、電流的波長(zhǎng)相比擬的特性，所以必須要考慮其參數(shù)分布性的特征,。微波傳輸線是一種分布參數(shù)電路,，線上的電壓和電流是時(shí)間和空間位置的二元函數(shù)，它們沿線的變化規(guī)律可以用傳輸線方程來(lái)描述［4］,。
微帶線是微波傳輸線的重要組成之一,，其幾何結(jié)構(gòu)和場(chǎng)結(jié)構(gòu)分別如圖1（a）、（b）所示,，它由一個(gè)寬度為w,、厚度為t的中心導(dǎo)帶和金屬接地板組成，導(dǎo)帶和接地板之間填充介電常數(shù)為εr的均勻介質(zhì),。微帶線的幾何結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜,，但是它的電場(chǎng)磁場(chǎng)卻相當(dāng)復(fù)雜，在微帶線上傳輸?shù)牟⒉皇菄?yán)格的TEM波,，而是準(zhǔn)TEM波,。由于介質(zhì)基片的存在，場(chǎng)的能量主要集中在基片區(qū)域,，其場(chǎng)分布與TEM波非常接近,，故稱為準(zhǔn)TEM波［5］。
平行耦合微帶線濾波器的結(jié)構(gòu)如圖2所示,，其中的每一段線都是一個(gè)半波長(zhǎng)諧振器,，每段線之間的間隙是耦合組件，這段間隙的諧振邊緣可以實(shí)現(xiàn)寬帶耦合［6］,。
2設(shè)計(jì)平行耦合微帶線帶通濾波器
帶通濾波器的設(shè)計(jì)是以低通濾波器為原型變化得到的,，由低通濾波器向帶通濾波器頻率轉(zhuǎn)換的公式如式（1）：
根據(jù)求出的歸一化頻率點(diǎn)Ω和濾波器阻帶衰減指標(biāo)確定帶通濾波器的級(jí)數(shù)，參考阻帶衰減和帶內(nèi)波紋指標(biāo),，采用不同類型的設(shè)計(jì)方法查出元件參數(shù),，最后求出奇模特性阻抗和偶模特性阻抗值，其計(jì)算公式如式（2）所示：
其中：
最后可得出微帶線的寬度w,、長(zhǎng)度l,、間距s。本文直接采用的ADS中的無(wú)源電路設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ呤腔谶@些理論知識(shí)建立起來(lái)的,，這種方法能直接給出微帶線帶通濾波器的模型,，可以確定濾波器微帶線的級(jí)數(shù)和尺寸，簡(jiǎn)單高效。
2.1濾波器的指標(biāo)
本文設(shè)計(jì)出的微帶線帶通濾波器的指標(biāo)為：中心頻率為3.0 GHz,帶寬為60 MHz,，帶內(nèi)衰減小于3 dB,端口反射系數(shù)小于-15 dB,在頻率為2.85 GHz和3.15 GHz時(shí)阻帶衰減大于35 dB,。無(wú)論是在原理圖設(shè)計(jì)過(guò)程中還是在最后的PCB版圖仿真中都要盡量使得各項(xiàng)參數(shù)都達(dá)到設(shè)計(jì)的最低要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,，要考慮到微帶線的寬度w,、縫隙s和長(zhǎng)度l等尺寸都會(huì)受到設(shè)備制造精度的影響。當(dāng)微帶線的寬度w的制作精度只有1 mil時(shí),，制作出來(lái)的微帶線寬度w與仿真設(shè)計(jì)的微帶線寬度誤差有可能達(dá)到0.5 mil,，那么在實(shí)際電路中微帶線寬度w的變化就有可能影響到濾波器的性能，此時(shí)需要在原理圖仿真和版圖仿真中反復(fù)優(yōu)化和微調(diào)微帶線寬度w,、長(zhǎng)度l,、間距s，當(dāng)尺寸發(fā)生微小變化后,，觀察濾波器的參數(shù)是否穩(wěn)定,。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的微帶線帶通濾波器才穩(wěn)定可靠，才能投入實(shí)際使用,。
2.2濾波器模型子電路的生成
傳統(tǒng)的微帶線濾波器的設(shè)計(jì)方法要計(jì)算查表得到濾波器的級(jí)數(shù)N,然后確定標(biāo)準(zhǔn)的低通濾波器的參數(shù),，計(jì)算傳輸線奇模、偶模特性阻抗,，最后利用ADS工具計(jì)算出濾波器微帶線的幾何尺寸［7］,。可見(jiàn)傳統(tǒng)的微帶線濾波器設(shè)計(jì)方法是利用經(jīng)驗(yàn)公式查表等方法求出微帶線的相關(guān)參數(shù)的,，這個(gè)過(guò)程很繁瑣,，計(jì)算量相當(dāng)大，而且數(shù)據(jù)不精確很容易出錯(cuò),。本文使用ADS中無(wú)源電路設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ呔湍軌蚪鉀Q這些問(wèn)題,，無(wú)源電路設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ呖梢韵却_定帶通濾波器模型的大致方向，生成帶通濾波器的子電路,，再進(jìn)行不斷的優(yōu)化。
在“Passive Circuit Design Guide”面板中選擇帶通濾波器模型“Microstrip CoupledLine Filter”,在原理圖窗口中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)微帶線濾波器器件,，在所出現(xiàn)的窗口中設(shè)置好帶通濾波器的各種參數(shù),。參數(shù)設(shè)置好以后點(diǎn)擊設(shè)計(jì)向?qū)Т翱诘脑O(shè)計(jì)按鈕，初步仿真結(jié)果如圖3所示,。系統(tǒng)在原理圖中會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)帶通濾波器的子電路,，濾波器的級(jí)數(shù)、微帶線的寬度w,、縫隙s和長(zhǎng)度l都已經(jīng)按照設(shè)置好的參數(shù)計(jì)算出來(lái)了,，如圖4所示。
由圖3可見(jiàn)，仿真結(jié)果與所要求設(shè)計(jì)的參數(shù)相差比較大,，這是因?yàn)闊o(wú)源電路設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ咧荒苌梢粋€(gè)大致方向的微帶線帶通濾波器模型,，在這個(gè)模型被搭建后，在后面的步驟中可以根據(jù)要求進(jìn)行反復(fù)仿真和優(yōu)化以達(dá)到設(shè)計(jì)目的,。
從濾波器模型生成的子電路圖中可看到濾波器的級(jí)數(shù)為5,，各級(jí)的微帶線的寬度w、縫隙s和長(zhǎng)度l都已經(jīng)被計(jì)算出來(lái),，相對(duì)于傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)方法而言,，這樣的設(shè)計(jì)方法周期被大大縮短，而且計(jì)算出的數(shù)據(jù)精確,，不存在有手工計(jì)算錯(cuò)誤的可能,。
2.3原理圖仿真和優(yōu)化
將仿真器、微帶線參數(shù)控件,、優(yōu)化參量控件等按原理圖放置并進(jìn)行連接,，連接完成后的原理圖如圖5所示。本文選擇的是羅杰斯R04003C高頻線路板材料,，這種材料是由玻璃纖維增強(qiáng)的碳?xì)浠衔?陶瓷基材（非PTFE）構(gòu)成［8］,，具備高頻性能和線路板生產(chǎn)成本低、損耗低等特點(diǎn),，它還具備很多普通電路板材料不具備的優(yōu)點(diǎn),，比如介電常數(shù)、溫度系數(shù)比較低,。選定的電路板材料參數(shù)如下：微帶線基板的相對(duì)介電常數(shù)εr為3.55,，損耗正切值tanD為0.002 7,微帶線基板的厚度H為0.508 mm,微帶線的磁導(dǎo)率mur為1。
設(shè)置好介質(zhì)參數(shù)和掃描參數(shù)后進(jìn)行不斷的仿真和優(yōu)化,，優(yōu)化后的S11和S21參數(shù)如圖6（a）,、（b）所示。
事實(shí)上,，原理圖的仿真結(jié)果是經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化而得出的一個(gè)比較理想的結(jié)果,，從仿真結(jié)果可以看出，在2.97～3.03 GHz內(nèi)通帶傳輸衰減小于5 dB,端口反射系數(shù)小于-30 dB,頻率為2.85 GHz和3.15 GHz時(shí)阻帶衰減大于35 dB,。原理圖仿真結(jié)果基本滿足指標(biāo)要求,，在后續(xù)的版圖仿真中將會(huì)改進(jìn)通帶傳輸衰減參數(shù)。
2.4PCB版圖仿真和優(yōu)化
將已經(jīng)優(yōu)化好的濾波器電路原理圖生成PCB版圖,，如圖7所示,。設(shè)置好需要的微帶線和基板的參數(shù)，添加好濾波器的輸入和輸出端的兩個(gè)端口,，完成仿真參數(shù)的設(shè)置后進(jìn)行仿真,。在PCB版圖仿真中,，由于微帶線處于高頻狀態(tài)下，所以導(dǎo)致整個(gè)電路會(huì)產(chǎn)生邊緣效應(yīng)和空間能量輻射［9］,，導(dǎo)致傳輸損耗比較大,，仿真結(jié)果沒(méi)有原理圖中的結(jié)果理想。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化后仿真結(jié)果如圖8（a）,、（b）所示,。
由版圖仿真結(jié)果可見(jiàn)，在2.97～3.03 GHz內(nèi)通帶傳輸衰減小于3 dB,端口反射系數(shù)小于-15 dB,頻率為2.85 GHz和3.15 GHz時(shí)阻帶衰減大于35 dB,。版圖仿真的結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求,，可以看到版圖仿真結(jié)果中端口反射系數(shù)相對(duì)于原理圖有所惡化，這是因?yàn)樵诎鎴D仿真中考慮到了微帶線基板的介電常數(shù)和損耗正切的影響,，導(dǎo)致傳輸線在傳輸過(guò)程中有介質(zhì)和能量的損耗,，但是仿真結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求。
3結(jié)束語(yǔ)
本文采用ADS中的無(wú)源電路設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ呖焖?、?zhǔn)確地完成了平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì),，大大提高了工作效率，不僅縮短了設(shè)計(jì)周期還避免了使用手工計(jì)算出錯(cuò)的可能性,?？紤]到當(dāng)前設(shè)備制造精度的影響，本文在原理圖和版圖仿真中反復(fù)微調(diào)和優(yōu)化微帶線的尺寸,，確保了制造出來(lái)的微帶線帶通濾波器的高可靠性,，對(duì)后續(xù)不同類型濾波器的設(shè)計(jì)具有很好的借鑒和參考意義。
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