基于微波電路仿真軟件的平行耦合微帶線濾波器

1、基于微波電路仿真軟件的平行耦合微帶線濾波器 在以往設(shè)計(jì)各種濾波器時(shí)，往往需要根據(jù)大量復(fù)雜的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算及查表來(lái)確定濾波器的各級(jí)參數(shù)，這樣的方法不但復(fù)雜繁瑣，而且所設(shè)計(jì)濾波器往往性能指標(biāo)難以達(dá)到要求。本文將先進(jìn)的微波電路仿真軟件ADS2008與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相結(jié)合設(shè)計(jì)一個(gè)平行耦合微帶線濾波器，并進(jìn)行建模、仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)。平行耦合微帶線帶通濾波器邊緣耦合的平行耦合線由兩條相互平行且靠近的微帶線構(gòu)成，單個(gè)帶通濾波器單元如圖1(a)所示。根據(jù)傳輸線理論及帶通濾波器理論，帶通濾波元件是由串臂上的諧振器和并臂上的諧振器來(lái)完成，但是在微帶上實(shí)現(xiàn)相間的串聯(lián)和并聯(lián)諧振元件尤為困難，為此可采用倒置轉(zhuǎn)換器將串并聯(lián)電

2、路轉(zhuǎn)化為諧振元件全部串聯(lián)或全部并聯(lián)在線上。因此，單個(gè)耦合微帶濾波器單元能夠等效成如圖 1 (b)所示的一個(gè)導(dǎo)納倒置轉(zhuǎn)換器和接在兩邊傳輸線段的組合。 這種單獨(dú)耦合線節(jié)單元雖然具有典型的帶通濾波器的特性，但是單個(gè)帶通濾波單元難以具有良好的濾波器響應(yīng)及陡峭的通帶阻帶過(guò)度。因此，通常情況下，采取級(jí)聯(lián)多個(gè)這些基本耦合單元來(lái)構(gòu)成實(shí)用的濾波器。如圖2所示為一級(jí)聯(lián)耦合微帶線節(jié)單元構(gòu)成的帶通濾波器的典型結(jié)構(gòu)，其每一個(gè)耦合線節(jié)左右對(duì)稱(chēng)，長(zhǎng)度約為四分之一波長(zhǎng)(對(duì)中心頻率而言)。帶通濾波器有N + 1個(gè)圖1所示的耦合線帶通濾波器單元構(gòu)成，而每一段耦合線又可等效為如圖1(b)所示的電路結(jié)構(gòu)，因此導(dǎo)納倒置轉(zhuǎn)換器之間為特性

3、阻抗為Z0、電角度為2 的傳輸線段。Z0o與Z0e分別為耦合線的奇模與偶模特性阻抗，并可由下列公式確定： BW為帶通濾波器的相對(duì)帶寬，g為標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)，Z0為濾波器輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗，下標(biāo)i，i+1表示如圖2所示的耦合段單元。 平行耦合帶通濾波器設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)出符合要求的帶通濾波器，可以將傳統(tǒng)的平行耦合微帶線設(shè)計(jì)方法與先進(jìn)的微波電路仿真軟件ADS2008相結(jié)合，使全部設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)換成實(shí)際的濾波器設(shè)計(jì)，圖3是平行耦合微帶線濾波器的設(shè)計(jì)的流程圖。 所設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)指標(biāo)如下：濾波器中心頻率0 (0=(H+L)/2)為2.1GHz，相對(duì)帶寬9%;在(1)首先根據(jù)濾波器參數(shù)指標(biāo)，計(jì)算出濾波器

4、低通歸一化頻率，查切比雪夫?yàn)V波器衰減特性表得濾波器級(jí)數(shù)N，同時(shí)查切比雪夫?yàn)V波器元件參數(shù)表可知具有帶內(nèi)波紋0.1dB的6階切比雪夫標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)g0=g6=1，g1=g5=1.1468，g2=g4=1.3712，g3=1.9750。 (2)根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)要求得到濾波器帶寬，從而根據(jù)公式(1)，(2)得到參數(shù)Ji,i+1和奇偶模阻抗的值如表1所示。 (3)選定電路板材參數(shù)如下：厚度h為0.5mm，介電常數(shù) 為4.2，相對(duì)磁導(dǎo)率Mur為1，電導(dǎo)率CONd為5.88E+7，金屬層厚度為0.03mm。使用ADS中的計(jì)算工具LineCalc計(jì)算微帶線的寬度W、間距S和長(zhǎng)度L。由此得到的各耦合段物理尺寸

5、參數(shù)如表2所示。(4)原理圖的仿真優(yōu)化。將上述結(jié)構(gòu)尺寸輸入ADS中，并設(shè)置介質(zhì)參數(shù)和掃頻參數(shù)，進(jìn)行原理圖仿真，其仿真結(jié)果如圖4所示，可見(jiàn)中心頻率出現(xiàn)了明顯的偏移現(xiàn)象。這是由于在設(shè)計(jì)平行耦合微帶帶通濾波器時(shí)沒(méi)有考慮邊緣場(chǎng)效應(yīng)的影響，為此需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化控制器參數(shù)。 事實(shí)上實(shí)際值比設(shè)計(jì)值偏低的主要原因是耦合單元微帶線開(kāi)路端邊緣效應(yīng)的影響。對(duì)于開(kāi)路端微帶線 , 通常將其邊緣效應(yīng)等效為一個(gè)電容件，而這個(gè)等效電容又可以為一段附加的一定長(zhǎng)度的傳輸線所代替。解決此問(wèn)題可以利用ADS的優(yōu)化功能，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖5所示，優(yōu)化原理圖如圖6所示。 (5)微帶濾波器的實(shí)際電路是由電路板和微帶線構(gòu)成行

6、計(jì)算得出的, 實(shí)際電路的性能可能會(huì)與原理仿真圖的結(jié)果有很大的差別。版圖的仿真是采用矩量法直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行仿真，其結(jié)果比在原理圖中仿真更加準(zhǔn)確。因此，可以將原理圖生成版圖進(jìn)行矩量法(Momentm)仿真。矩量法仿真結(jié)果如圖7所示。 仿真得到的曲線不能滿足指標(biāo)要求，那么要重新回到原理圖窗口進(jìn)行優(yōu)化仿真，產(chǎn)生這種情況的原因是相鄰耦合線節(jié)間的線寬相差過(guò)大或者其他參數(shù)取值不適合，這些可以改變優(yōu)化變量的初值，也可以根據(jù)曲線與指標(biāo)的差別情況適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)側(cè)參數(shù)，重新進(jìn)行優(yōu)化。(6)平行耦合帶通濾波器調(diào)試與制作將設(shè)計(jì)的平行耦合帶通濾波器制成印刷電路板，然后用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試微帶濾波器實(shí)際電路。調(diào)試系統(tǒng)方框圖如圖8所示。 需要調(diào)試的參數(shù)主要有以下幾個(gè)：輸入輸出端口的反射參數(shù)S11，S22;通帶內(nèi)衰減和阻帶內(nèi)衰減S21。S12;群延時(shí)910。通過(guò)對(duì)以上參數(shù)的測(cè)量就可以得到微帶濾波器的各項(xiàng)參數(shù)。測(cè)量完成后，觀察網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量結(jié)果是否達(dá)到指標(biāo)要求，并把結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相比較。如果測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)要求相差過(guò)多，則需要對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，直至重新進(jìn)行設(shè)計(jì)、制板。結(jié)語(yǔ)本文以平行耦合微帶線帶通濾波器原理為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)方法與利用微波電路仿真工具設(shè)計(jì)濾波器的