陳軍

摘要：該文章討論的是基于ADS軟件的平行耦合微帶線帶通濾波器的設計過程。利用集總參數低通原型濾波器經過一系列轉化可以得到微帶線帶通濾波器的特性，運用傳輸線原理和導納變換公式獲得帶通濾波器的相關參數，并借助功能強大的ADS軟件對微帶線帶通濾波器的原理圖和版圖進行設計制作。該軟件只需要輸入相應的原始數據，便可方便得到頻率響應等相關特性。我們也可以借助ADS軟件對其進行優(yōu)化仿真，以得到更加優(yōu)質的帶通濾波器。

關鍵詞：帶通濾波器；微帶線；傳輸線；ADS

1.引言

隨著近年來無線通信技術的迅猛發(fā)展，微波濾波器已經成為作為辨別分離有用和無用資源的重要部件，并大量使用于通信系統(tǒng)領域，其性能的優(yōu)越直接影響整個通信系統(tǒng)的質量?，F代通信對微波濾波器的整體要求越來越高，以求得到更加微小化、輕量化、集成化的高性能低成本的濾波器。本文設計運用微帶濾波器印刷電路的方法，可以滿足尺寸小、成本低且性能穩(wěn)定的要求，被廣泛運用于無線通信系統(tǒng)中。目前在無線通信系統(tǒng)領域中，微波濾波器的種類日益增多，性能和設計方法各有差異。但總體來看，微波濾波器的設計大都采用從集總參數的低通原型濾波器出發(fā)經過一系列變換得到的。本章討論的是平行耦合微帶線帶通濾波器的設計，它同樣是基于集總參數低通原型濾波器出發(fā)，經過等效變換可以得到與帶通濾波器相應的低通原型模型，再經過阻抗倒置變換或導納變換便可以得到相應的帶通濾波器的設計模型及相關參數。本文首先介紹微帶線帶通濾波器的設計原理，然后根據基本原理推導出濾波器的相關參數，再運用ADS軟件進行制作、優(yōu)化和仿真，最后將完整的設計圖紙和相關參數拿到工廠加工制成成品。為了驗證該微帶線帶通濾波器的設計和仿真的正確性，本文采用網絡分析儀對該濾波器進行了相關測試，測試結果和仿真效果相吻合。

2.微帶線帶通濾波器的設計原理及設計過程

根據濾波器綜合理論，低通原型濾波器是設計其他濾波器的基礎。本文設計的帶通濾波器同樣是在低通原型濾波器的基礎上經過變換得到的。圖1展示的是集總參數低通原型濾波器到集總參數帶通濾波器的變換過程。該圖說明根據帶通濾波器的頻率特性而言，（在通帶內）串聯臂應采用串聯諧振為低阻抗，并聯臂應采用并聯諧振為高阻抗。而微帶線帶通濾波器的設計也是在上述變換原理的基礎上擴展得到的。一般來說，與微波帶通濾波器相應的低通原型有兩種模型。一種是電感輸入式電路，經變換后為含阻抗K的變換器，另一種是電容式輸入電路，經變換后為含導納J的變換器。

該兩種電路互為對偶，衰減特性相同，且都可以轉換成等效的帶通濾波器。本文設計采用電容式輸

入電路，運用導納倒置變換原理來完成設計。由于阻抗倒置變換和導納倒置變換的變換原理相似，

圖1低通濾波器到帶通濾波器的轉換

因此本文只對導納倒置變換原理進行詳述。

當平行耦合微帶線的長度為l=λ/4時，有帶通濾波的特性，但其不能提供陡峭的通帶到阻帶過渡，但將多個耦合微帶線單元級連后便可以具有良好的濾波特性。設計這種微帶線帶通濾波器最為關鍵的一步就是把上述的低通原型用K或J變換器變換為變形低通，再運用阻抗倒置或導納倒置變換得出最后的變換形式。由于本文設計選用的是導納倒置變換，所以下面介紹導納倒置變換的具體變換過程。設計步驟的前兩步就是確定中各元件的歸一化值，并選定電容式輸入電路。第3步經過變換得圖2（a），它表示含有導納倒置變換器的變形低通原型。圖2（b）表示從圖2（a）導出的帶通濾波器，圖2（c）表示用電納斜率參量表示的微波帶通濾波器。即到圖2（c）就是從含低通原型到含J微波帶通濾波器的變換的全過程。經過上述變換，我們可以得出含導納倒置變換器J的微波帶通濾波器的

圖2（a）含有導納倒置變換器的變形低通原型

圖2（b）從圖2（a）導出的帶通濾波器

圖2（c）用電納斜率參量表示的微波帶通濾波器

實用公式為電納斜率：

根據上述公式可以計算出耦合微帶線各節(jié)奇偶模的特性阻抗，根據奇偶模的特性阻抗，運用ADS軟件可以確定微帶線帶通濾波器每節(jié)微帶線的尺寸關系。

下面講述的是本文運用導納倒置變換原理并結合ADS軟件來設計一個平行耦合微帶線帶通濾波器的具體過程。該平行耦合微帶線帶通濾波器的設計指標如下：

平行耦合微帶線帶通濾波器要求3階，帶內波紋為0.5dB，系統(tǒng)特性阻抗為50Ω。

帶通濾波器的中心頻率為2.1GHZ，帶寬為10%，通帶頻率范圍為2.0GHZ～2.2GHZ。

通帶內衰減小于1.5dB，在1.8GHZ和2.4GHZ時衰減大于20dB。

微帶線基板的厚度1mm，基板的相對介電常數選為2.7。

設計平行耦合微帶線帶通濾波器的步驟如下：

（1）計算低通濾波器原型參數。本設計要求3階，帶內波紋為0.5dB，根據查表得出切比雪夫低通濾波器原型參數為：g0=g4=1，g1=g3=1.5963，g2=1.0967。

（2）計算各節(jié)奇偶模的特性阻抗，該濾波器需要4節(jié)耦合微帶線級連

（3）計算各耦合線節(jié)的奇偶模特性阻抗

（4）根據上述計算出的奇偶模特性阻抗和相移以及設計指標中的各項參數，運用ADS軟件可以得到該平行耦合微帶線帶通濾波器各節(jié)的尺寸大小，如表1

表1計算微帶線的尺寸

（5）運用ADS軟件畫出原理圖并進行仿真后得出S21曲線在18GHz、20GHz、22GHz和24GHz處的值如下：

·在18GHz處，S21的值為-26078dB。

·在20GHz處，S21的值為-08450dB。

·在22GHz處，S21的值為-89030dB。

·在24GHz處，S21的值為-30538dB。

以上數據顯示在阻帶18GHz和24GHz處滿足技術指標，在通帶處不滿足技術指標，需要對原理圖

進行調整優(yōu)化。優(yōu)化后的原理圖如圖3所示，由圖3我們可以看出，S21曲線在18GHz、20GHz、22GHz和24GHz處的值如下：

·在18GHz處，S21的值為-26546dB。

·在20GHz處，S21的值為-09420dB。

·在22GHz處，S21的值為-07840dB。

·在24GHz處，S21的值為-22289dB。

進行優(yōu)化后，以上數據滿足技術指標，該原理圖符合本次微帶線帶通濾波器的設計要求。

圖3帶通濾波器原理圖優(yōu)化數據

（6）下面由平行耦合微帶線帶通濾波器的原理圖生成版圖，并對版圖進行仿真。圖4是由平行耦合微帶線帶通濾波器原理圖生成的版圖。對比上述原理圖可以發(fā)現，原理圖中構成濾波器電路的各種微帶線元件模型在版圖中已經轉化成實際的微帶線。以下數據是平行耦合微帶線帶通濾波器版

圖4由平行耦合微帶線帶通濾波器原理圖生成的版圖

圖的仿真數據，通過仿真數據可以得出，S21曲線在18GHz、20GHz、22GHz和24GHz處的值如下：

·在18GHz處，S21的值為-28546dB。

·在20GHz處，S21的值為-08870dB。

·在22GHz處，S21的值為-12160dB。

·在24GHz處，S21的值為-22147dB。

版圖的仿真數據與原理圖的仿真數據有一些差異，這是由于版圖的仿真方法與原理圖的仿真方法不同。但是版圖的仿真數據同樣滿足設計指標。至此，本文的平行耦合微帶線帶通濾波器的設計過程完畢，最后將上述得到的版圖與相關數據送往工廠進行加工便可制成最終成品。

3.結論

本文主要討論的是平行耦合微帶線帶通濾波器的設計過程。根據設計要求，首先計算低通原型

濾波器的參數，并運用導納倒置變換得出相應的帶通濾波器的設計參數，通過計算得出每節(jié)濾波器的奇偶模和尺寸大小。然后運用ADS軟件設計原理圖并對其進行優(yōu)化仿真，最后進行版圖的設計與仿真。經驗證，得出的數據符合本次平行耦合微帶線帶通濾波器的設計要求。這種平行耦合微帶線帶通濾波器的設計方法具有簡單、高效和精確等特點。本文設計的微帶線帶通濾波器用印刷電路的制作方法，可以滿足尺寸小、成本低且性能穩(wěn)定等要求，被廣泛運用于無線通信系統(tǒng)中。（作者單位：西華師范大學物理與電子信息學院）

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