一種基于CAD/EDA工具設計的2.6GHz微帶發(fā)夾式帶通濾波器

對于當今的無(wú)線(xiàn)通訊行業(yè)而言，CAD/EDA工具是無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品設計周期必不可少的部分。這些工具實(shí)際上體現了設計工程師對設計及上市周期的關(guān)注。CAD/EDA工具只有做到準確模擬和易于使用，才能使得設計工程師們達到最好的效率。

　　本文討論了一種2.6GHz微帶發(fā)夾式帶通濾波器的設計，這個(gè)設計是利用Ansoft公司Serenade設計環(huán)境中的Harmonica電路級模擬器完成的。設計結果通過(guò)Serenade的布線(xiàn)工具S2A，被導出到Ansoft的Ensemble（2.5維平面電磁模擬器）以及LPKF樣品板制作應用程序。這個(gè)設計實(shí)例的主要目的是把Serenade的模擬結果與Ensemble的模擬結果以及實(shí)測數據進(jìn)行比較。

　　表1總結了這個(gè)設計實(shí)例中用到的所有CAD/EDA工具。注意所有的工具都在PC上使用。

　　表1. 濾波器設計中使用的CAD/EDA工具。

　　濾波器設計

　　我們使用了一種四片式微帶發(fā)夾式濾波器結構來(lái)實(shí)現響應中心值為2.6GHz，帶寬為3dB（約為280MHz）的帶通式濾波器。最初的設計通過(guò)Serenade桌面的原理抓取器輸入（見(jiàn)圖1），該設計使用了Harmonica的微帶分布元件庫。

　　Harmonica分布庫模型包含了一種多耦合線(xiàn)元件（MCPL）模型，這個(gè)模型可以用來(lái)設計發(fā)夾濾波器的耦合部分。MCPL使用了一個(gè)全波頻域算法，能夠在任意給定的頻率范圍，準確計算任意線(xiàn)寬，間隔和組合的多達20條的耦合線(xiàn)的電氣特性。在圖1所示原理圖中，MCPL元件是圖中居中的八條耦合線(xiàn)。

　　圖1 Serenade中的微帶發(fā)夾式濾波器的原理圖。

　　發(fā)夾式濾波器的轉折部分表示成子電路（“U”型符號），它包括直的傳輸線(xiàn)部分以及轉彎的連接部分。由于沒(méi)有為濾波器指定屏蔽區域，所有的輻射效應都應被納入考慮的范圍。Harmonica和Ensemble兩個(gè)模擬器都是這樣做的?；倪x擇了Rogers TMM-4。它的相關(guān)規格祥見(jiàn)表2。

　　表2 Rogers TMM-4基材規格

　　濾波器的尺寸經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以實(shí)現需要的帶通波段。由于MCPL元件能夠模擬任意的線(xiàn)寬和線(xiàn)距組合，通過(guò)優(yōu)化參數，我們保留了濾波器的對稱(chēng)性設計。

　　濾波器制作

　　濾波器在Harmonica中經(jīng)過(guò)了再三優(yōu)化之后，其拓撲結構就可以被輸出成設計圖樣。Serenade的桌面菜單中包含了一項S2A布線(xiàn)工具，打開(kāi)它之后，它會(huì )自動(dòng)根據之前的原理圖生成設計圖。

　　圖2 由Serenade圖案設計軟件生成的設計圖。

　　隨后，利用S2A，我們可以生成一個(gè)DXF文件。這個(gè)文件被導入到LPKF CircuitCAM中，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理之后，生成雕刻機應用軟件LPKF BoardMaster能夠識別的加工文件。CircuitCAM是用來(lái)在導線(xiàn)間生成絕緣溝道，同時(shí)對設計圖進(jìn)行檢查和編輯的工具。圖3展示了CircuitCAM的處理結果。最終的設計圖樣被輸入到LPKF ProtoMat 95s系統中（圖4），準備加工。

　　圖3 LPKF的CircuitCAM程序生成的切割軌跡

　　除了能輸出DXF文件，S2A還能輸出一個(gè)Ansoft 中性文件集（ANFS），用來(lái)在Ensemble中產(chǎn)生一個(gè)濾波器設計工程。圖5顯示了一個(gè)假色的抓圖，該圖表示在2.6GHz時(shí)，該濾波器的射頻電流強度在Ensemble中的模擬結果。

　　圖4 LPKF ProtoMat? 95直接從CAD數據雕刻電路板。

　　濾波器測量

　　濾波器制作完成后，SMA連接器被焊接到它上面。圖六表示在最終測量中使用的濾波器樣品。我們利用HP 8510B網(wǎng)絡(luò )分析儀測量了濾波器的插損和回損。Serenade能夠通過(guò)GPIB/HPIB接口，從各種各樣的網(wǎng)絡(luò )分析儀直接下載和保存S參數。

　　圖5 Ensemble中的濾波器模型。

　　數據比較

　　圖6 表示插損和回損的實(shí)測數據與Harmmonica和Ensemble模擬結果的比較。對于一個(gè)一次通過(guò)的樣品來(lái)說(shuō)，這樣的結果可以說(shuō)符合得非常好了。表3總結了三個(gè)數據集相應的3dB點(diǎn)，帶寬以及中心頻率的值。

　　圖6 濾波器樣品照片。

　　表3 總結了三個(gè)數據集中的濾波器的頻率特性。我們注意到，中心頻率值都在2.600GHz的±1%以?xún)取?/P>

　　總結

　　本文討論了一個(gè)2.6GHz微帶發(fā)夾式濾波器的設計以及驗證。使用兩種同樣來(lái)自Ansoft公司的模擬器對設計進(jìn)行了模擬計算。一種是Serenade設計環(huán)境中的Harmonica模擬器；另一種是Ensemble 2.5D 電磁模擬器。我們把來(lái)自這兩種模擬器的模擬值與樣品的實(shí)測值進(jìn)行了比較。設計圖由S2A布線(xiàn)工具生成，并被導出成DXF文件；LPKF公司的CircuitCAM對DXF文件進(jìn)行編輯和處理后，將最終加工文件導出到LPKF BoardMaster；Protomat 95s系統根據該文件自動(dòng)完成樣品的加工。插損和回損的兩個(gè)模擬結果和實(shí)測結果都進(jìn)行了比較，彼此有很好的符合度。