王名越，張衛(wèi)國

（1.中國科學(xué)院微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100190；2.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 北京 100190；3.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100190）

一種耦合線帶通濾波器的設(shè)計

王名越1，2，3，張衛(wèi)國1，2

（1.中國科學(xué)院微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100190；2.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 北京 100190；3.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100190）

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，濾波器的使用越來越廣泛。本文通過兩種仿真軟件的協(xié)同仿真分析，來實(shí)現(xiàn)一個耦合線帶通濾波器的設(shè)計。首先通過理論計算公式得到耦合線的奇偶模阻抗，然后在ADS軟件中進(jìn)行初次仿真分析。考慮到實(shí)際損耗的以及環(huán)境的影響，由ADS得到的結(jié)果作為HFSS的初始參數(shù)再在HFSS軟件中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計結(jié)果表明該耦合線帶通濾波器在1 db損耗內(nèi)的帶寬為1.57~2.17 GHz，且在該頻率范圍內(nèi)的回波損耗小于-10 dB，可以滿足射頻微波通信系統(tǒng)的要求。

耦合線；帶通；濾波器；協(xié)同設(shè)計

隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，濾波器在微波毫米波無線系統(tǒng)中的作用越來越大，應(yīng)用也越來越廣泛[1-3]。微波濾波器屬于無源電路的一種，在發(fā)射機(jī)、接收機(jī)中都起著舉足輕重的作用。一方面抑制不需要的信號，使得需要的信號進(jìn)行傳輸；另一方面微波濾波器還能消除各類鏡頻干擾信號、降低噪聲信號以及頻分復(fù)用等功能，進(jìn)而改善系統(tǒng)的接收靈敏度。微波濾波器根據(jù)頻率特性、帶寬等可以分成很多類型，從結(jié)構(gòu)形式上主要分成集中元件濾波器、微帶線濾波器、腔體濾波器[4-5]、MEMS 濾波器[6-8]、LTCC 濾波器[9-11]、波導(dǎo)濾波器[12-13]、聲表面波濾波器等。根據(jù)銅帶特性，可以分為低通、高通、帶通、帶阻等形式。耦合線濾波器由于印刷在介質(zhì)板上，具有重量輕、易集成且操作方便的特點(diǎn)。本文就對一種耦合線帶通濾波器進(jìn)行了設(shè)計。第一節(jié)介紹了濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，第二節(jié)介紹了耦合線濾波器的理論設(shè)計原理，第三節(jié)對該耦合線濾波器進(jìn)行了設(shè)計，第四節(jié)對本文進(jìn)行了總結(jié)。

1 濾波器技術(shù)指標(biāo)

微波濾波器是一個選頻器件，主要功能是使得需要的信號通過而衰減不需要的信號，即實(shí)現(xiàn)通帶范圍內(nèi)的信號無損耗傳輸和阻帶范圍內(nèi)的信號最大衰減。在射頻與微波領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)主要有工作帶寬、插入損耗、回波損耗、紋波、品質(zhì)因數(shù)以及群時延等[14]。下面主要介紹插入損耗、回波損耗指標(biāo)。

插入損耗是描述通帶內(nèi)的功率損耗的大小。理想情況下，射頻微波電路中的濾波器沒有任何功率損耗的，而實(shí)際的濾波器不可能完全消除本身固有損耗。插入損耗表達(dá)式如下

其中|Γin|為信號源向?yàn)V波器看去的反射系數(shù)。濾波器的插入損耗也可以用散射參數(shù)S21表示如下的形式

回波損耗用來表示濾波器的反射特性，反應(yīng)的是端口反射波的大小，用S11表示如下

2 耦合線帶通濾波器設(shè)計原理

如圖1所示為耦合線帶通濾波器的理想電路圖，該電路結(jié)構(gòu)主要包括兩對耦合線，兩對耦合線的奇偶模特性阻抗分別為 Z1e，Z1o以及 Z2e，Z2o。 耦合線CLin1左邊接系統(tǒng)特性阻抗為Z0的傳輸線，右邊連接另外一段耦合線Clin2。

圖1 耦合線帶通濾波器理想電路圖

一般情況下，如果濾波器的工作頻率為f0，耦合線帶通濾波器的S參數(shù)需要滿足如下條件:通帶內(nèi)S11=0，通帶外S21=0。奇偶模特性阻抗以及電長度設(shè)計參數(shù)需滿足如下公式

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，設(shè)計的濾波器的中心頻率選擇在2 GHz，兩段微帶線選擇的電長度均為θ1=θ2=π。則第一和第三傳輸零點(diǎn)可表達(dá)如下：

3 耦合線帶通濾波器的設(shè)計

3.1 ADS設(shè)計

根據(jù)時可以得到兩段耦合線的奇偶模特性阻抗，且假設(shè)兩段耦合線的電長度為θ1=θ2=π。在ADS中建立仿真模型[16]，兩段耦合線的奇模阻抗分別設(shè)置為 Z1e，Z2e。 偶模阻抗分別為 Z1o，Z2o。 電長度為180°。設(shè)置好參數(shù)后進(jìn)行仿真理想仿真，仿真原理圖以及仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 理想濾波器仿真原理及仿真結(jié)果

由于圖2中采用的理想耦合線，通過每段耦合線的奇偶模特性阻抗、電長度以及所使用的板材信息就可以計算出該段耦合線的物理尺寸[17]。板材選用F4B，介電常數(shù)為2.65，板厚1 mm。通過實(shí)際的耦合線進(jìn)行仿真與實(shí)際比較接近。通過ADS軟件中的Linecalc可以計算出兩段耦合線的長度和寬度。帶入實(shí)際耦合線參數(shù)的濾波器[18]的仿真原理及仿真結(jié)果如圖3所示。通過比較圖3與圖2的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，帶入實(shí)際耦合線的長度寬度等物理尺寸之后，濾波器的性能指標(biāo)有了一些惡化。這主要是由實(shí)際耦合線的損耗引起的。在下一小節(jié)中，通過全波仿真軟件對該濾波器進(jìn)行建模，且通過參數(shù)掃描功能進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計。

圖3 帶入耦合線實(shí)際參數(shù)的濾波器仿真原理及仿真結(jié)果

3.2 HFSS設(shè)計

通過上一小節(jié)的設(shè)計，發(fā)現(xiàn)帶入耦合線實(shí)際物理尺寸之后，濾波器的性能變差了，在這一小節(jié)中，在HFSS中對該濾波器進(jìn)行全波仿真，模型如圖4所示，仿真結(jié)果如圖5所示，從圖5中可以看出指標(biāo)與圖2圖3的結(jié)果相差較大，在2 GHz處S11大于-10 dB，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖4 耦合線濾波器仿真模型

圖5 未優(yōu)化的濾波器插入損耗以及回波損耗

接下來對濾波器的參數(shù)進(jìn)行掃描分析，在此處對該濾波器兩段耦合線的長度分別設(shè)置為掃描變量，其中L1設(shè)置范圍為52~56 mm，L2設(shè)置范圍為49~53 mm。掃描結(jié)果如圖6所示，從中可以看出，對應(yīng)不同的耦合線長度組合，得到的濾波器響應(yīng)是不同的。通過比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)L1=56 mm，L2=49 mm時，該濾波器的回波損耗最小。

單獨(dú)給出優(yōu)化后的耦合線的長度L1=56 mm，L2=49 mm的仿真結(jié)果，如圖7所示。從圖7可以看出，該濾波器的回波損耗優(yōu)化之后的結(jié)果明顯變好了，且在中心頻率2 GHz處達(dá)到

-17 dB，相比未優(yōu)化的情況好了很多。從該圖中可以看出，在帶寬1.57~2.17 GHz范圍內(nèi)插入損耗都小于1 dB，回波損耗均優(yōu)于-10 dB。同時給出了該濾波器的群時延特性，結(jié)果如圖8所示。

4 結(jié)束語

文中通過采用兩種仿真軟件的聯(lián)合使用，設(shè)計了一款基于耦合線的帶通濾波器。該濾波器具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。文中先介紹了濾波器在射頻微波通信系統(tǒng)中的重要性，接著討論了濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，然后介紹了耦合線濾波器的設(shè)計理論基礎(chǔ)，最后在原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行了濾波器的設(shè)計。首先通過ADS得到初步的濾波器物理參數(shù)[19]，然后采用全波仿真軟件對ADS得到的初步結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析。通過仿真表明，所設(shè)計的濾波器在1 dB損耗內(nèi)的帶寬為1.57~2.17 GHz，且在該頻率范圍內(nèi)的回波損耗小于-10 dB，可以滿足很多射頻微波通信系統(tǒng)的要求。

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圖6 耦合線帶通濾波器參數(shù)掃描結(jié)果

圖7 優(yōu)化后的耦合線帶通濾波器頻率響應(yīng)

圖8 濾波器的群時延特性

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A coupled line band-pass filter design

WANG Ming-yue1，2，3， ZHANG Wei-guo1，2
（1.Key Laboratory of Micrwave Remote Sensing，Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China；2.National Space Science Centre， Chinese Academy of Science， Beijing 100190，China； 3.University of Chinese Academy of Science，Beijing 100190， China）

In modern communication systems， filters are used more and more widely.In this paper， two simulation software co-simulation analysis to achieve a coupled line bandpass filter design.First，get even and odd mode impedance coupling line by theoretical formula，then the first simulation in ADS software.Taking into account the actual loss and environmental impact，the results obtained by the ADS as the initial parameter，and re-optimize the design in HFSS software.Optimal design results show that the coupled line bandpass filter bandwidth within 1db loss is 1.57~2.17 GHz，and the return loss in the frequency range of less than-10dB，which meets the requirements of RF and microwave communication system.

coupled line； band-pass； filter； co-simulation design

TN61

A

1674－6236（2017）12-0123-05

2016-05-17稿件編號：201605157

王名越（1990—），男，湖南郴州人，碩士研究生。研究方向:微波遙感、濾波無源器件。