朱齊媛，陳新原

（嶺南師范學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 湛江 524048）

射頻和微波的廣泛應(yīng)用使射頻電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了工業(yè)界的特別關(guān)注，新興半導(dǎo)體器件使得高頻電路系統(tǒng)不斷擴(kuò)張，這些應(yīng)用在無線通信、全球定位及雷達(dá)等行業(yè)中有目共睹。但是，射頻設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)在通信行業(yè)存在更加普遍，46%以上的通信設(shè)計(jì)工程認(rèn)為射頻設(shè)計(jì)是最大的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。在通信產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，射頻問題比較多地表現(xiàn)在電路匹配、接收靈敏度、器件參數(shù)一致性等問題。現(xiàn)代射頻和微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，對(duì)電路的指標(biāo)要求也越來越高，電路的功能越來越豐富，電路的尺寸越來越小，卻要設(shè)計(jì)周期越來越短，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足微波電路設(shè)計(jì)的需求，使用微波EDA（Electronic Design Automation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）軟件工具進(jìn)行微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為微波電路的設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。ADS—Advanced Design System，是美國安捷倫（Agilent）公司所發(fā)開的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，功能強(qiáng)大，仿真手段豐富多樣，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析越優(yōu)化，大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)效率，是優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號(hào)鏈路的設(shè)計(jì)工具[1-3]。不同于傳統(tǒng)的射頻分析設(shè)計(jì)軟件，ADS軟件不再是簡單地用表格的方式計(jì)算出射頻系統(tǒng)增益和功率預(yù)算，而是對(duì)射頻器件級(jí)進(jìn)行深入的仿真分析。利用ADS軟件工程師可以精確分析系統(tǒng)中的噪聲、阻抗、互調(diào)、隔離、諧波等對(duì)系統(tǒng)工程的影響。

射頻濾波器是射頻電路中最基本也是最常用的射頻器件，可以是有微波線構(gòu)成的，也可以是由電感、電容等集總參數(shù)元件構(gòu)成的[4]。理想的濾波器可以分為4種：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。按照濾波器的制作方法和材料，射頻濾波器可以分為波導(dǎo)濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器和微帶濾波器。在實(shí)際工程應(yīng)用中，各種濾波器的設(shè)計(jì)是很復(fù)雜的，但是都可以通過將經(jīng)典的低通濾波器原型，通過不同的變換，將其轉(zhuǎn)換成要求的濾波器。經(jīng)典的低通濾波器主要有巴特沃斯、切比雪夫和橢圓函數(shù)濾波器等[5]，本文用最簡單的電路，利用ADS仿真得到不同原型對(duì)于濾波性能的影響。

1 濾波器類型選擇實(shí)例

選擇的雙端低通濾波器模型（low-pass filter DT），預(yù)設(shè)濾波器的參數(shù)如下，Ap（dB）=0.1，F(xiàn)p=0.2 GHz，F(xiàn)s=1.2 GHz，如圖 1所示。選擇不同的濾波器類型，首先選擇的是巴特沃斯濾波器，即在Response Type中選擇Maximally Flat，之后得到濾波器的子電路圖，如圖2所示，選擇S參數(shù)仿真，得到濾波器的S21、S11、S12參數(shù)曲線（濾波器電路相對(duì)于輸入和輸出端口來說是對(duì)稱的，這種濾波器可以用在天線前端，作為收發(fā)公用的濾波器，所以曲線S21、S12參數(shù)曲線是相同的）。設(shè)置M1、M2點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求，即在100 MHz處的通帶內(nèi)損耗為-0.09 dB，濾波器在100 MHz的頻點(diǎn)處輸入反射系數(shù)為-17 dB。

圖1 雙端低通濾波器模型Fig.1 Double end of the lowpass filter

圖2 巴特沃斯濾波器子電路Fig.2 Butterworth filter circuit

其次選擇切比雪夫?yàn)V波器，即在Response Type中選擇Chebyshev，之后得到濾波器的子電路圖，選擇S參數(shù)仿真，同樣可以得到濾波器的 S21、S11、S12參數(shù)曲線。在圖中設(shè)置 M1、M2點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求，即在100 MHz處的通帶內(nèi)損耗為-0.48 dB，濾波器在100 MHz的頻點(diǎn)處輸入反射系數(shù)為-9.86 dB。

最后選擇橢圓函數(shù)濾波器，即在Response Type中選擇Elliptic，之后得到濾波器的子電路圖，選擇S參數(shù)仿真，得到濾波器的 S21、S11、S12。在圖中設(shè)置 M1、M2點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求，即在100 MHz處的通帶內(nèi)損耗為-0.48 dB，濾波器在100 MHz的頻點(diǎn)處輸入反射系數(shù)為-9.83 dB。

圖3 響應(yīng)類型為切比雪夫Fig.3 Response type for the Chebyshev

圖4 切比雪夫?yàn)V波器S21、S11參數(shù)曲線Fig.4 Chebyshev filter S21、S11 curves

2 不同類型濾波器的濾波性能分析

從上節(jié)的數(shù)據(jù)中可以看出，3種不同響應(yīng)類型的選擇均可以滿足濾波器的基本要求，但是各自還是有很多的不同，從類型選擇方面可以看出，巴特沃斯濾波器最大的優(yōu)點(diǎn)是通道內(nèi)具有較高的平坦度，但是明顯的缺陷是通帶和阻帶間的過渡特性較差，不夠陡峭，相對(duì)濾波器的理想特性較差；在陡峭方面比較好的是切比雪夫?yàn)V波器，但是換來的犧牲是通帶內(nèi)的衰減特性不平坦，呈現(xiàn)波紋特性；過渡特性較好的是橢圓函數(shù)構(gòu)建的濾波器，但是此類濾波器阻帶衰減不再趨于無限大，而是呈現(xiàn)波紋特性[6]。在模擬濾波器的設(shè)計(jì)中，需要找到一個(gè)可用電路實(shí)現(xiàn)的傳輸函數(shù)，來滿足濾波器的頻率響應(yīng)曲線，濾波器的設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的研究工作，就是找這個(gè)電路可實(shí)現(xiàn)的傳輸函數(shù)找到了一種傳輸函數(shù)，并且提出了實(shí)現(xiàn)這種函數(shù)的電路結(jié)構(gòu)。但是由于傳輸函數(shù)的曲線只是近似滿足理想濾波器的要求，具體選擇何種結(jié)構(gòu)，需要綜合考慮。切比雪夫?yàn)V波器滾降更加陡峭，也就是窗型系數(shù)好，但是在通帶（阻帶）內(nèi)頻率響應(yīng)有等幅波動(dòng)，巴特沃斯?jié)L降不夠陡峭，但是在通帶內(nèi)是最平坦的。從以上的分析可以清晰的看出，濾波器的截止陡峭度和線性相位特性是相互沖突，在具體的設(shè)計(jì)中要折中考慮。同樣的電路形式，元件參數(shù)不同就變成了不同的濾波器，同一種濾波器也可以用不同的電路形式實(shí)現(xiàn)。濾波器類型按信號(hào)處理特性需求來選擇，例如衰減率Chebyshev>Butterworth>Bessel，階躍響應(yīng)是 Bessel>Butterworth>Chebyshev，而Butterworth和 Bessel是帶內(nèi)增益無抖動(dòng)，Chebyshev I是帶內(nèi)增益有抖動(dòng)，Chebyshev II是帶外衰減有抖動(dòng)等等，怎么選擇要和信號(hào)緊密結(jié)合，需要綜合考慮。

3 結(jié)束語

在射頻濾波器的分析和設(shè)計(jì)中，不同類型的低通濾波器原型會(huì)給之后的結(jié)果帶來不同的效果，通過對(duì)同一低通濾波器的類型選擇差異，利用先進(jìn)的ADS仿真軟件，從幅頻響應(yīng)特性和群時(shí)延兩個(gè)角度，展示了巴特沃斯、切比雪夫和橢圓函數(shù)3種基本類型濾波器性能分析，實(shí)現(xiàn)不同性能指標(biāo)濾波器設(shè)計(jì)中類型選擇的方向。為工程師對(duì)于濾波器的設(shè)計(jì)提供了很好的方向選擇，有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值。

[1]陳艷華，李朝暉，夏瑋.ADS應(yīng)用詳解——射頻電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：人們郵電出版社，2009.

[2]馮新宇，車向前，穆秀春.ADS2009射頻電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]南敬昌，馮永生，劉元安.基于ADS線性射頻放大器設(shè)計(jì)與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2007（5）:302-305.NAN Jing-chang，F(xiàn)ENG Yong-sheng，LIU Yuan-an.Design and simulation of linear small-signal transistor’s 1.5 GHz amplifier[J].Computer Simulation，2007（5）:302-305.

[4]Balalem A，Ali A R，Amari S，et al.Ealization of a triplemode bandpass filter using a square-loop resonator[J].in IEEE MTT-SInt.Dig.， Jun，2009:849-852.

[5]KunnthphongSrisathit， ApisakWorapishet， WanlopSurakampontorn.Design of triple-mode ring resonator for wideband microstrip bandpass filters[J].IEEE Trans.Microwave Theoryand Techniques，2010，58（11）:2867-2877.

[6]Garcia-Garcia J，Bonache J，Martin F.Application of electromagneticbandgaps to the design of ultra-wide bandpass filters withgood out-of-band performance[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，2006，54（12）:4136-4140.