ADS仿真平行耦合微帶線(xiàn)帶通濾波器

濾波器是用來(lái)分離不同頻率信號的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號， 使其不能通過(guò)濾波器， 只讓需要的信號通過(guò)。在微波電路系統中，濾波器的性能對電路的性能指標有很大的影響，因此如何設計出一個(gè)具有高性能的濾波器，對設計微波電路系統具有很重要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點(diǎn)， 近年來(lái)在微波電路系統應用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應用之一。平行耦合微帶線(xiàn)帶通濾波器在微波集成電路中是被廣為應用的帶通濾波器。

1 基本原理

當 兩個(gè)無(wú)屏蔽的傳輸線(xiàn)緊靠一起時(shí)， 由于傳輸線(xiàn)之間電磁場(chǎng)的相互作用，在傳輸線(xiàn)之間會(huì )有功率耦合，這種傳輸線(xiàn)稱(chēng)之為耦合傳輸線(xiàn)。根據傳輸線(xiàn)理論， 每條單獨的微帶線(xiàn)都等價(jià)為小段串聯(lián)電感和小段并聯(lián)電容。每條微帶線(xiàn)的特性阻抗為Z 0，相互耦合的部分長(cháng)度為L(cháng)， 微帶線(xiàn)的寬度為W， 微帶線(xiàn)之間的距離為S， 偶模特性阻抗為Z e，奇模特性阻抗為Z0。單個(gè)微帶線(xiàn)單元雖然具有濾波特性， 但其不能提供陡峭的通帶到阻帶的過(guò)渡。

如果將多個(gè)單元級聯(lián)， 級聯(lián)后的網(wǎng)絡(luò )可以具有良好的濾波特性。



圖1 5級耦合微帶線(xiàn)帶通濾波器

2 設計步驟

2. 1 設計低通原型

根據帶通濾波器的一系列參數通過(guò)頻率變換和查表選擇低通原型濾波器的歸一化原型參量。

用ω1 和ω2 表示帶通濾波器的下邊界和上邊界，ω0表示中心頻率。將帶通濾波器變換為低通原型。



歸一化帶寬：



查表得到歸一化設計參數g1， g2. . . gN gN + 1。

2. 2 計算各節偶模和奇模的特性阻抗設計

用g1， g2. . . gN gN + 1和BW 確定帶通濾波器電路中的設計參數耦合傳輸線(xiàn)的奇模和偶模的特性阻抗:



2. 3 計算微帶線(xiàn)的幾何尺寸

根據微帶線(xiàn)的偶模和奇模阻抗， 按照給定的微帶線(xiàn)路板的參數，使用ADS 中的微帶線(xiàn)計算器L ineC alc計算得到微帶線(xiàn)的幾何尺寸W， S， L。

2. 4 仿真及優(yōu)化

連接好電路， 將計算出的W， S， L 輸入， 掃描參數為S11， S21，進(jìn)行仿真。一般來(lái)說(shuō)用理論值的得到仿真結果和實(shí)際想要得到結果有出入， 這就需要進(jìn)行優(yōu)化。我們可以用ADS中的Opt im 工具來(lái)進(jìn)行多次的優(yōu)化直到達到預定的設計要求。

3 設計實(shí)例

設計指標: 中心頻率f 0 為2. 6 GHz， 帶寬200MH z， 在f = 2. 8 GH z及2. 4 GHz上衰減不小于40 dB， 通帶內紋波3 dB， 輸入輸出特性阻抗均為50 。

微帶電路板的參數如下: 厚度H = 0. 4mm， 介質(zhì)相對介電常數為E r = 3. 66， 相對磁導率為Mur= 1，金屬層厚度T = 0. 03mm， 損耗正切角TanD = 0。

根據設計的指標及式( 1) 我們選用n = 5 的3 dB紋波切比雪夫低通原型。查表求得低通濾波器原型的原件取值為:

g0 = g6 = 1, g1 = g5 = 3. 481 7, g2 = g4 = 0. 761 8,g3 = 4. 538 1

由式( 3)得:



計算平行耦合線(xiàn)的W， S， L， 由ADS中的L ineC alc得到。

表1 各節耦合微帶線(xiàn)的尺寸單位: mm





圖2 ADS L inecalc模塊。

將上述的結構尺寸輸入ADS中并設置微帶電路板的參數和S參數的頻率掃描范圍進(jìn)行原理圖仿真。

以下圖3是理論計算值的仿真原理圖， 圖4是仿真結果。


圖3 微帶線(xiàn)帶通濾波器設計原理圖。


圖4 傳輸、反射系數仿真曲線(xiàn)圖。

經(jīng) 過(guò)分析仿真結果出現了中心頻率點(diǎn)偏移的， 并且通帶內的反射系數較大， 在2. 4 GH z上衰減沒(méi)有達到要求，因此需要對其進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化時(shí)要注意: 耦合線(xiàn)的W， S， L 不要設為具體的值， 而是要有各個(gè)變量來(lái)代替，因為這些參數就是優(yōu)化的目標。變量的設置要需要借助變量控件VAR來(lái)完成， 在VAR中要設置合理的數據范圍。優(yōu)化還需要Optim 控件和目標控件Goa，l 將Opt im 控件中的M axlters的值該為100，增加優(yōu)化次數。根據我們的設計要求設置四個(gè)Goal控件。依次分別為: 優(yōu)化通帶內的S ( 2， 1)、優(yōu)化通帶內的S ( 1， 1) (優(yōu)化通帶內的反射系數)、優(yōu)化低端阻帶內的S ( 2， 1) (設定2. 4 GH z以下達到40 dB衰減)和優(yōu)化高端阻帶內的S ( 2， 1) (設定2. 8 GH z以上衰減達到40 dB)。如果一次優(yōu)化不能滿(mǎn)足設計指標的要求，則需要再改變變量的取值范圍，進(jìn)行重新優(yōu)化， 直到滿(mǎn)足要求為止。

圖5為優(yōu)化原理圖， 圖6是優(yōu)化后生成的仿真結果。由圖6 中可以看到f = 2. 6 GHz時(shí)， S ( 2， 1) =- 0. 113 dB， f= 2. 8 GH z和f = 2. 4 GH z時(shí)衰減都大于40 dB， 反射系數也比較理想， 各項基本滿(mǎn)足設計要求。

微帶濾波器的實(shí)際電路是由實(shí)際電路板和微帶線(xiàn)構成的， 實(shí)際電路的性能可能會(huì )與原理圖仿真的結果會(huì )有很大的差別。因此，需要在A(yíng)DS中對版圖進(jìn)行進(jìn)一步的仿真之后才能進(jìn)行電路板的制作。首先我們要生成版圖， 由優(yōu)化后的原理圖生成的版圖如圖7所示。

接著(zhù)我們對電路版圖進(jìn)行矩量法Momen tum 仿真，仿真結果如圖8。由圖8可以看出版圖仿真得到的曲線(xiàn)滿(mǎn)足指標要求。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場(chǎng)進(jìn)行計算，考慮了實(shí)際因素，其結果比在原理圖中仿真更加真實(shí)。


圖5 微帶線(xiàn)帶通濾波器優(yōu)化原理圖


圖6 優(yōu)化后的S 參數曲線(xiàn)圖。


圖7 微帶版圖。



圖8 微帶版圖仿真曲線(xiàn)。

4 結論

本文從耦合微帶線(xiàn)的基本理論出發(fā)， 完整的闡述一種利用ADS 來(lái)進(jìn)行微帶帶通濾波器的設計方法，并設計出了一個(gè)達到預期的微帶帶通濾波器。

利用ADS軟件可以大大減少工程師的工作量， 并且能提高效率， 降低成本。