基于ADS濾波器的設計

(北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院，北京100124)

(北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院，北京100124)

介紹了基于ADS(Advanced Design System)軟件進行微帶線濾波器的設計方法，給出了詳細的設計原理和步驟，并結合實例設計了一個中心頻率為2.35 GHz，帶寬為100 MHz，帶內衰減小于2 dB，波紋起伏小于1 dB，輸入阻抗、輸出阻抗均為50Ω的耦合微帶線帶通濾波器。經(jīng)過仿真優(yōu)化，得到了原理圖和電路版圖，證明了這種方法的可行性，對使用ADS設計濾波器具有一定指導作用。

帶通濾波器;平衡耦合;微帶線;ADS

微波濾波器是一類無耗的二端口網(wǎng)絡，主要用于控制信號的頻率響應，使有用的信號頻率分量幾乎無衰減地通過濾波器，無用的信號頻率分量被阻斷［1］。微波濾波器按照傳輸線分類可分為微帶線濾波器、交指型濾波器、同軸濾波器、波導濾波器等。由于微帶線濾波器具有結構緊湊，易于實現(xiàn)以及其獨特的選頻特性等優(yōu)點，使得廣泛應用于各種微波通信電路中。微帶線濾波器主要包括平衡耦合微帶線濾波器、發(fā)夾型濾波器、微帶類橢圓函數(shù)濾波器［2］。而平衡耦合微帶線濾波器具有重量輕、體積小、易于實現(xiàn)等優(yōu)點而被廣泛使用。

傳統(tǒng)的濾波器設計方法需要進行復雜計算，隨著微波輔助電路設計軟件的快速發(fā)展，使得利用計算機進行輔助設計變得相對容易。ADS正是這種輔助設計軟件，可以完成從電路圖到PCB版圖的設計、仿真及優(yōu)化。本文就是基于ADS軟件對平衡耦合微帶線帶通濾波器進行設計仿真，介紹了這種區(qū)別于傳統(tǒng)微波濾波器的設計方法。

1 平衡耦合微帶線濾波器原理

耦合微帶線是由兩根或多根彼此靠得很近的非屏蔽傳輸線構成的導行系統(tǒng)。它是一種半開放式傳輸結構。耦合線的特性可以由線間的有效電容和線上波的傳播速度完全確定［3］。其結構和等效電路圖如圖1所示。

圖1 微帶線結構及等效電路圖

其中，C11表示帶狀導體2不存在時帶狀導體1對地的自電容;C22表示帶狀導體1不存在時帶狀導體2對地的自電容;C12表示接地導體不存在時帶狀導體1和2之間的互電容。

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成，單個帶通濾波器單元如圖2(a)所示。單個耦合微帶濾波器單元能夠等效成如圖2 (b)所示的一個導納倒置轉換器和接在兩邊傳輸線段的組合［4］。

圖2 帶通濾波單元

這種結構的的開路傳輸線線段，按照其嚴格的處理方法［5］，可以得到其阻抗參數(shù)矩陣參數(shù):

當把基本單元級聯(lián)構成多節(jié)濾波器時，要使每個單元的兩個端口都與下一個單元的元件匹配(鏡像匹配)。對于一端口的輸入阻抗，使用ABCD參量，可以得到:

對于2端口的輸入阻抗:

因為多節(jié)濾波器阻抗匹配，即Zin=ZL，則由以上兩式可得到A=D和

則由Z11=Z22和Z12=Z21，可求出全部ABCD參量元素，將B和C代入可求出輸入阻抗(鏡像阻抗):

在0≤βl≤2π區(qū)間內，一電長度為自變量，可以畫出輸入阻抗為實部的函數(shù)響應如圖3所示。

圖3 阻抗為實數(shù)的頻率響應

根據(jù)頻率響應圖，可以得出:當微帶線長度為λ/4或βl=π/2時，可以得到典型的帶通濾波器特性。這種情況下，上變頻和下變頻為:

這個耦合線節(jié)單元具有典型帶通濾波器的特性，但單一的帶通濾波器的單元是很難有一個良好的濾波器響應和陡峭的通帶—阻帶［6］。因此，把這些基本耦合單元級聯(lián)構成一個實用的濾波器。如圖4所示。

圖4 級聯(lián)帶通單元

如圖2～圖4所示為級聯(lián)耦合微帶線節(jié)單元構成的帶通濾波器的典型結構。在設計濾波器時，一般先要進行頻率變換，即把給定的插入衰減頻率特性曲線變換成原型低通濾波器的插入衰減特性曲線，然后計算出濾波器的階數(shù)，根據(jù)階數(shù)求出網(wǎng)絡結構，最后根據(jù)原型低通濾波器的設計表格來求出各元件的真實值。

2 平衡耦合帶通濾波器的設計及仿真

2.1 設計步驟

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ADS2009相結合，使全部設計要求轉換成實際的濾波器設計，圖5就是平行耦合微帶線濾波器的設計的流程圖。

圖5 平行耦合微帶濾波器的設計流程圖

2.2 平衡耦合微帶線帶通濾波器的參數(shù)設計

(1)濾波器各項指標確定 中心頻率2.35 GHz，帶寬100 MHz，帶內衰減小于2 dB，波紋起伏小于1 dB，在頻率2.1 GHz、2.6 GHz處衰減大于-40 dB，Z0=50Ω，端口反射系數(shù)小于-20 dB。

(2)確定濾波器類型 耦合微帶線濾波器。

(3)選擇介質基片 介電常數(shù)Er=4.5(環(huán)氧玻璃纖維板(FR-4))，電路板厚度H=1 mm，滲透系數(shù)Mur=1，介質板上金屬層電導率為銅，則GCu= 5.88×107，金屬層厚度T=0.035 mm。

(4)計算濾波器階數(shù)

在2.6 GHz頻率點求得低通濾波器原型的響應歸一化頻率為:

查通帶內波紋為1 dB時的切比雪夫低通濾波器的阻帶衰減特性圖，取n=4

圖6 1.00 dB波紋的切比雪夫低通濾波器的阻帶衰減特性

(5)濾波器元件參數(shù) 查表1，n=4時切比雪夫低通濾波器的對應于帶內波紋為1 dB的元件參數(shù)得:g0=1，g1=2.099 1，g2=1.064 4，g3=2.831 1，g4=0.789 2，g5=2.659 9。

表1 切比雪夫低通濾波器的原件數(shù)值表

(6)計算奇偶模阻抗 歸一化帶寬WB為:

根據(jù)帶寬計算:

計算得到參數(shù):

通過這些參數(shù)計算傳輸線的奇模、偶模阻抗:

和

其中Z0是濾波器輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗。

可計算出所設計的微帶線奇模偶模阻抗:

(7)計算耦合微帶線實際參數(shù):

利用ADS微帶線計算工具(LineCacl)計算微帶線的實際尺寸如圖7，輸入各參數(shù)后點擊Sythesize按鈕，即得出微帶線的實際尺寸。

具體參數(shù)如下:

Er=4.5:微帶線介質基片的相對介電常數(shù)為4.5;

Mur=1:微帶線介質基片的相對磁導率為1;

H=1 mm:微帶線介質基片的厚度為1 mm;

Hu=1.0×1033mm:微帶電路的封裝高度為1.0×1033;

T=0.035 mm:微帶線金屬片的厚度為0.035 mm;

GCu=5.88×107，微帶線金屬片的電導率為5.88×107;

TanD=1E-4:微帶線的損耗角正切為 1 ×10-4;

Freq=2.4 GHz:微帶線工作頻率為2.4 GHz;

圖7 利用LineCacl工具計算耦合線節(jié)實際尺寸

Wall1=默認值:條帶H的邊緣到第一側壁的距離，默認值為1.0×1030mil;

Wall2=默認值:條帶H的邊緣到第二側壁的距離，默認值為1.0×1030mil。

計算得到表2:

表2 耦合線節(jié)實際尺寸

用微帶線計算工具計算在阻抗為50Ω和電長度為90°時，可以算出微帶線的線寬2.968 mm和長度17.255 9 mm(四分之一波長)兩邊的引出線的雙擊兩邊的引出線 TL1、TL2，分別將其寬與長設為2.968 mm和10 mm(其中線長只是暫定，以后制作版圖時還會修改)。

2.3 原理圖設計與仿真

將上述計算得到的結構尺寸輸入ADS中并設置微帶線電路板的參數(shù)，畫出仿真原理圖和仿真結果如圖8、圖9所示。

由圖9可以仿真結果可以看出，與應得的設計相比，中心頻率點出現(xiàn)偏移，在2.26 GHz左右。而且通帶內的反射系數(shù)太大，端口反射系數(shù)也不滿足設計要求，因此對電路圖進行優(yōu)化［7］。

中心頻率的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，一般將邊緣效應等效為一個電容，同時，這個等效電容又可以用一段附加的一定長度的傳輸線所代替［8］。因此使用ADS的優(yōu)化功能來改善開路段邊緣效應的影響。設置優(yōu)化參數(shù)，主要包括濾波器各節(jié)的寬度W、間隔S、長度L、通帶內的S(2，1)、S(1，1)、低端阻帶內的S(1，1)、高端阻帶內的S (2，1)等。優(yōu)化后原理圖和仿真結果如圖10、圖11所示。

2.4 版圖設計與仿真

針對仿真結果，我們可以看到，參數(shù)已經(jīng)優(yōu)化，因此進行版圖設計及仿真，版圖設計及仿真結果如圖12、圖13所示。

圖8 優(yōu)化前原理圖

圖9 優(yōu)化前仿真結果

圖10 優(yōu)化后原理圖

圖11 優(yōu)化后仿真結果

圖12 版圖設計

圖13 版圖仿真結果

3 結束語

本文以中心頻率為2.35 GHz，帶寬為100 MHz的帶通濾波器為例，完成了基于ADS完整的設計和仿真，仿真結果良好，證明了基于ADS帶通濾波器設計的可行性并且較之經(jīng)典濾波器的設計具有簡便、快速等優(yōu)點。

［1］鄭冬，王志剛.基于ADS帶通濾波器的設計［J］.電子產品世界，2010.

［2］高峻，唐晉生.微波濾波器的回顧與展望［J］.電子元器件應用，2005(11):70-72.

［3］李緝熙.射頻電路與芯片設計要點［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［4］Reinhold L.RFCircuit Design:Theory and Applications Second Edition［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2010.

［5］王磊，楊紅.射頻電路設計與技術［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［6］雷達資料編譯組.微波濾波器設計手冊［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1972:56-85.

［7］馮新宇，車向前，穆秀春.ADS2009射頻電路設計與仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010:164-185.

［8］李春紅，李志強.低頻段腔體濾波器的小型化設計［J］.無線電工程，2006，36(2):45-47.

基于ADS濾波器的設計

宿玲玲，賽景波*

A Design of Filter Based on ADS

SU Lingling，SAI Jingbo*
(College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing100124，China)

A method ofmicrostrip filter designing which is based on ADS(Advanced Design System)is introduced，some details of designing principle and steps are also described in the following contents.Furthermore，a 100 MHz band-pass filter with a 2.35 GHz center frequency has been designed combining with practical examples，in the above example the In-band attenuation is less than 2 dB，ripple fluctuation is less than 1 dB，and both of the input and output impedances are 50Ω.After the process of simulating and optimization，schematic diagram and IC Layout diagram have been worked outwhich can prove the feasibility of the researched method，the results of this research has a guiding function for the application of ADSmicrostrip filter in the future days.

band-pass filter;parallel coupled;microstrip line;ADS

10.3969/j.issn.1005－9490.2013.06.014

TN713 文獻標識碼:A 文章編號:1005－9490(2013)06－0814－06

2013-04-18修改日期:2013-04-26

EEACC:1270;1350

宿玲玲(1989-)，女，漢族，河北邯鄲，北京工業(yè)大學，在讀碩士生，研究方向為無線通信、移動 IP與嵌入式，992839215@qq.com;

賽景波(1964-)，男，漢族，黑龍江，北京工業(yè)大學，副教授，研究方向為無線通信、移動 IP與嵌入式，saijingbo@ bjut.edu.cn。