西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 尹彩霞 劉小亞

基于ADS簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)及優(yōu)化的平行耦合微帶線帶通濾波器

西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)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(chǔ)上，設(shè)計(jì)出平行耦合微帶線帶通濾波器的電路基本結(jié)構(gòu)，并借助ADS（Advanced Design System）軟件計(jì)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(jì)算，以及如何設(shè)計(jì)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(gè)中心頻率為2．2GHz的平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)例，并進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，得出仿真結(jié)果及電路版圖。仿真結(jié)果表明此法滿足設(shè)計(jì)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(wú)線通信的快速發(fā)展,現(xiàn)在對(duì)射頻/微波電路的重視程度越來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器的技術(shù)越來(lái)越成熟。濾波器是用來(lái)分離不同頻率信號(hào)的一種器件,主要功能是抑制不需要的信號(hào),讓需要的信號(hào)通過(guò)。微帶線帶通濾波器可工作在射頻與微波頻段,應(yīng)用非常廣泛。但濾波器的性能在微波電路系統(tǒng)中對(duì)電路的性能指標(biāo)有很大的影響,固要設(shè)計(jì)出一個(gè)具有高性能的濾波器,對(duì)整個(gè)微波電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都具有很大的意義。本文借助ADS軟件能方便地對(duì)平行耦合微帶線帶通濾波器電路進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)基本原理［1］

平行耦合微帶傳輸線是由兩個(gè)無(wú)屏蔽的平行微帶傳輸線緊靠在一起構(gòu)成,當(dāng)兩個(gè)傳輸線之間的電磁場(chǎng)相互作用時(shí),就會(huì)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(zhì),在介質(zhì)的下面為公共導(dǎo)體接地板,在介質(zhì)的上面為兩個(gè)寬度為W,相距為S的中心導(dǎo)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(gòu)成帶通濾波器,這種長(zhǎng)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(guò)度。因此由多個(gè)耦合微帶線單元級(jí)聯(lián),就可以構(gòu)成具有良好的濾波特性而且又實(shí)用的濾波器。

2 平行耦合微帶線帶通濾波器設(shè)計(jì)

2.1 低通濾波器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)原型

根據(jù)帶通濾波器頻率變換和設(shè)計(jì)條件及查表,選擇低通濾波器的歸一化原型參量［2］。假設(shè)下邊頻為1,上邊頻為2,中心頻率為0。根據(jù)濾波器參數(shù)計(jì)算歸一化頻率［3］：

查切比雪夫?yàn)V波器元件參數(shù)可得標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)G1,G2...Gn,Gn+1。

2.2 計(jì)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(duì)帶寬。根據(jù)微帶線的奇模、偶模特性阻抗,使用ADS中的微帶線計(jì)算器LineCalc計(jì)算可得微帶線的尺寸關(guān)系。

3 平行耦合微帶線帶通濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例［1］

(1)設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

中心頻率為2.2GHz,通帶頻率范圍為2.1GHz～2.3GHz,在通帶內(nèi)衰減小于1.5dB,在1.9GHz和2.5GHz時(shí)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(shù)如下［5］：微帶線的基板厚度選為1mm,基板的相對(duì)介電常數(shù)為2.7,相對(duì)磁導(dǎo)率Mur=1.0,金屬層厚度T=0.05mm,損耗正切值TanD=0.

(3)根據(jù)平行耦合微帶線帶通濾波器設(shè)計(jì)要求,選用n=3,帶內(nèi)波紋小于0.5dB的切比雪夫低通濾波器原型。查表可得參數(shù)為：G1=1.5963,G2=1.0967,G3=1.5963。根據(jù)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(jì)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(jié)構(gòu)尺寸導(dǎo)入ADS中,并設(shè)置微帶電路板的參數(shù)和掃頻參數(shù),方可進(jìn)行原理圖仿真［5］。如圖1為仿真結(jié)果。

從上述仿真結(jié)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(jié)果數(shù)據(jù)知,在阻帶1.9GHz和2.5GHz處衰減大于20dB,滿足設(shè)計(jì)要求,而在通帶2.1GHz～2.3GHz內(nèi)不滿足衰減小于1.5dB的

圖1 仿真結(jié)果

圖3 優(yōu)化仿真結(jié)果

技術(shù)指標(biāo)。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化,借助變量控件VAR,優(yōu)化控件Optim,及3個(gè)目標(biāo)控件Goal來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。這里的3個(gè)Goal控件分別用來(lái)：優(yōu)化通帶內(nèi)的S(2,1),優(yōu)化低端阻帶內(nèi)的S(2,1)(在1.9GHz以下達(dá)到20dB衰減),優(yōu)化高端阻帶內(nèi)的S(2,1)(在2.5GHz以上達(dá)到20dB衰減)。根據(jù)設(shè)計(jì)好的各控件的優(yōu)化參數(shù),就可以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化仿真了。優(yōu)化原理圖如圖2所示,優(yōu)化仿真結(jié)果如圖3所示。

由優(yōu)化后的S21曲線知,在通帶2.1GHz～2.3GHz內(nèi)滿足衰減小于1.5dB的技術(shù)指標(biāo),達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(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(jié)論

本文在濾波器、微帶線的基本原理理論基礎(chǔ)上,由設(shè)計(jì)一個(gè)完整的平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)闡述借助ADS軟件工具怎樣完成帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法。從得出的仿真結(jié)果中分析,此設(shè)計(jì)滿足技術(shù)指標(biāo),因而可以看出利用ADS軟件做濾波器的有點(diǎn)及效率。

[1]黃玉蘭．射頻電路理論與設(shè)計(jì)[M]．北京:人民郵電出版社,2008．10．

[2]清華大學(xué)《微帶電路》編寫(xiě)組．微帶電路[M]．北京:人民郵電出版社,1975．

[3]夏祖學(xué)．一種EBG微帶濾波器的設(shè)計(jì)[J]．西南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006,21(2):36-40．

[4]李琦威,郭陳江,張興華．平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]．電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(4):12-18．

[5]張福洪,張振強(qiáng),馬佳佳．基于ADS的平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J]．電子器件,2010,33(4):434-437．

[6]徐興福．ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M]．北京:電子工業(yè)出版社,2009．