西華師范大學物理與電子信息學院 尹彩霞 劉小亞

基于ADS簡易設計及優(yōu)化的平行耦合微帶線帶通濾波器

西華師范大學物理與電子信息學院 尹彩霞 劉小亞

在平行耦合微帶線帶通濾波器的理論基礎上，設計出平行耦合微帶線帶通濾波器的電路基本結構，并借助ADS（Advanced Design System）軟件計算工具完成平行耦合微帶線奇偶模的特性阻抗與尺寸之間的計算，以及如何設計并仿真平行耦合微帶線帶通濾波器的方法。最后基于ADS給出一個中心頻率為2．2GHz的平行耦合微帶線帶通濾波器的設計實例，并進一步優(yōu)化參數，得出仿真結果及電路版圖。仿真結果表明此法滿足設計要求。

平行耦合微帶線；帶通濾波器；ADS；優(yōu)化；電路版圖

隨著無線通信的快速發(fā)展,現在對射頻/微波電路的重視程度越來越大,而微波帶通濾波器也得到了大力發(fā)展,而因而利用微帶線來實現濾波器的技術越來越成熟。濾波器是用來分離不同頻率信號的一種器件,主要功能是抑制不需要的信號,讓需要的信號通過。微帶線帶通濾波器可工作在射頻與微波頻段,應用非常廣泛。但濾波器的性能在微波電路系統中對電路的性能指標有很大的影響,固要設計出一個具有高性能的濾波器,對整個微波電路系統的設計都具有很大的意義。本文借助ADS軟件能方便地對平行耦合微帶線帶通濾波器電路進行原理圖設計、仿真及優(yōu)化,最后生成版圖。

1 平行耦合微帶線帶通濾波器設計基本原理［1］

平行耦合微帶傳輸線是由兩個無屏蔽的平行微帶傳輸線緊靠在一起構成,當兩個傳輸線之間的電磁場相互作用時,就會在傳輸線之間有功率耦合,這種傳輸線被稱為耦合傳輸線。平行耦合微帶傳輸線的中間部分是介質,在介質的下面為公共導體接地板,在介質的上面為兩個寬度為W,相距為S的中心導體帶。

每條微帶線的特性阻抗為Z0,偶摸的特性阻抗為Z0e,奇模的特性阻抗為Z0o,平行耦合微帶線可以構成帶通濾波器,這種長平行耦合微帶線單元,雖然具有典型的帶通濾波器特性,但其不具有陡峭的通帶-阻帶過度。因此由多個耦合微帶線單元級聯,就可以構成具有良好的濾波特性而且又實用的濾波器。

2 平行耦合微帶線帶通濾波器設計

2.1 低通濾波器設計設計原型

根據帶通濾波器頻率變換和設計條件及查表,選擇低通濾波器的歸一化原型參量［2］。假設下邊頻為1,上邊頻為2,中心頻率為0。根據濾波器參數計算歸一化頻率［3］：

查切比雪夫濾波器元件參數可得標準低通濾波器參數G1,G2...Gn,Gn+1。

2.2 計算耦合微帶線各節(jié)耦模和奇模的特性阻抗

平行耦合微帶線各節(jié)奇模特性阻抗Z0o和耦模特性阻抗Z0e為［1］：

其中：

Δ為帶通濾波器的相對帶寬。根據微帶線的奇模、偶模特性阻抗,使用ADS中的微帶線計算器LineCalc計算可得微帶線的尺寸關系。

3 平行耦合微帶線帶通濾波器設計實例［1］

(1)設計指標如下：

中心頻率為2.2GHz,通帶頻率范圍為2.1GHz～2.3GHz,在通帶內衰減小于1.5dB,在1.9GHz和2.5GHz時衰減大于20dB,輸入輸出特性阻抗為50Ω。

圖2 優(yōu)化原理圖

(2)微帶線電路板參數如下［5］：微帶線的基板厚度選為1mm,基板的相對介電常數為2.7,相對磁導率Mur=1.0,金屬層厚度T=0.05mm,損耗正切值TanD=0.

(3)根據平行耦合微帶線帶通濾波器設計要求,選用n=3,帶內波紋小于0.5dB的切比雪夫低通濾波器原型。查表可得參數為：G1=1.5963,G2=1.0967,G3=1.5963。根據公式(1)(2)得阻抗值,如表1所示。

表1 奇偶模特性阻抗

利用ADS中的微帶線計算器得平行耦合線的W、S、L,如表2所示。

表2 微帶線尺寸

將上述結構尺寸導入ADS中,并設置微帶電路板的參數和掃頻參數,方可進行原理圖仿真［5］。如圖1為仿真結果。

從上述仿真結果圖1中,可以看出S21曲線在1.9GHz處, S21=-24.889dB,在2.1GHz處,S21=-1.106dB,在2.3GHz處, S21=-9.872dB,在2.5GHz處,S21=-30.378dB。分析結果數據知,在阻帶1.9GHz和2.5GHz處衰減大于20dB,滿足設計要求,而在通帶2.1GHz～2.3GHz內不滿足衰減小于1.5dB的

圖1 仿真結果

圖3 優(yōu)化仿真結果

技術指標。因此需要進一步優(yōu)化,借助變量控件VAR,優(yōu)化控件Optim,及3個目標控件Goal來進行優(yōu)化。這里的3個Goal控件分別用來：優(yōu)化通帶內的S(2,1),優(yōu)化低端阻帶內的S(2,1)(在1.9GHz以下達到20dB衰減),優(yōu)化高端阻帶內的S(2,1)(在2.5GHz以上達到20dB衰減)。根據設計好的各控件的優(yōu)化參數,就可以對其進行優(yōu)化仿真了。優(yōu)化原理圖如圖2所示,優(yōu)化仿真結果如圖3所示。

由優(yōu)化后的S21曲線知,在通帶2.1GHz～2.3GHz內滿足衰減小于1.5dB的技術指標,達到設計目標。

(4)將優(yōu)化后的原理圖生成版圖,如圖4所示。

圖4 帶通濾波器原理圖生成的版圖

4 結論

本文在濾波器、微帶線的基本原理理論基礎上,由設計一個完整的平行耦合微帶線帶通濾波器的設計實例來闡述借助ADS軟件工具怎樣完成帶通濾波器的設計方法。從得出的仿真結果中分析,此設計滿足技術指標,因而可以看出利用ADS軟件做濾波器的有點及效率。

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