微帶線帶通濾波器的ADS設計

1、應用ADS設計微帶線帶通濾波器1、微帶帶通微帶線的基本知識微波帶通濾波器是應用廣泛、結(jié)構(gòu)類型繁多的微波濾波器，但適合微帶結(jié)構(gòu)的帶通濾波器結(jié)構(gòu)就不是那么多了，這是由于微帶線本身的局限性，因為微帶結(jié)構(gòu)是個平面電路，中心導帶必須制作在一個平面基片上，這樣所有的具有串聯(lián)短截線的濾波器都不能用微帶結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)；其次在微帶結(jié)構(gòu)中短路端不易實現(xiàn)和精確控制，因而所有具有短路短截線和諧振器的濾波器也不太適合于微帶結(jié)構(gòu)。微帶線帶通濾波器的電路結(jié)構(gòu)的主要形式有5種：1、電容間隙耦合濾波器帶寬較窄，在微波低端上顯得太長，不夠緊湊，在2GHz以上有輻射損耗。2、平行耦合微帶線帶通濾波器窄帶濾波器，有5到25的相對帶寬，能

2、夠精確設計，常為人們所樂用。但其在微波低端顯得過長，結(jié)構(gòu)不夠緊湊；在頻帶較寬時耦合間隙較小，實現(xiàn)比較困難。3、發(fā)夾線帶通濾波器把耦合微帶線諧振器折迭成發(fā)夾形式而成。這種濾波器由于容易激起表面波，性能不夠理想，故常把它與耦合諧振器混合來用，以防止表面波的直接耦合。這種濾波器的精確設計較難。4、1/4波長短路短截線濾波器5、半波長開路短截線濾波器下面主要介紹平行耦合微帶線帶通濾波器的設計，這里只對其整個設計過程和方法進行簡單的介紹。2、平行耦合線微帶帶通濾波器平行耦合線微帶帶通濾波器是由幾節(jié)半波長諧振器組合而成的，它不要求對地連接，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，是一種應用廣泛的濾波器。整個電路可以印制在很薄

3、的介質(zhì)基片上(可以簿到1mm以下)，故其橫截面尺寸比波導、同軸線結(jié)構(gòu)的小得多；其縱向尺寸雖和工作波長可以比擬，但采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基片，使線上的波長比自由空間小了幾倍，同樣可以減??；此外，整個微帶電路元件共用接地板，只需由導體帶條構(gòu)成電路圖形，結(jié)構(gòu)大為緊湊，從而大大減小了體積和重量。關于平行耦合線微帶帶通濾波器的設計方法，已有不少資料予以介紹。但是，在設計過程中發(fā)現(xiàn)，到目前為止所查閱到的各種文獻，還沒有一種能夠做到準確設計。在經(jīng)典的工程設計中，為避免繁雜的運算，一般只采用簡化公式并查閱圖表，這就造成較大的誤差。而使用電子計算機進行輔助設計時，則可以力求數(shù)學模型精確，而不追求過分的簡化?；趯?/p>

4、際設計的需要，我對于平行耦合線微帶帶通濾波器的準確設計進行研究，編制了計算機輔助設計的小程序（附上），并利用CAD軟件設計了微帶帶通濾波器，仿真模擬效果令人滿意。應用此程序，不僅使設計速度大為提高，而且大大提高了設計的準確性。設計原理圖1為平行耦合線微帶帶通濾波器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。它有n個諧振器(對應于濾波器的階數(shù)n)，每個諧振器長為半波長(對應中心頻率)，由n1個平行耦合線節(jié)組成，長為四分之一波長(對應中心頻率)。圖2為一節(jié)平行耦合線及他的等效電路，其中Z0eZ0o2Z0；Z0e*Z0o=Z02。圖2 平行耦合線節(jié)及其等效電路 平行耦合線微帶帶通濾波器的設計可分為以下幾個步驟進行： 第一步：

5、由給定的通帶和阻帶衰減特性，用低通到帶通的頻率變換式(1)，選出合適的歸一化低通原型，計算出濾波器的階數(shù)，得到歸一化低通原型的元件值（這一部分的計算可以查表得之）； 第二步：用網(wǎng)絡等效方法，計算各級奇、偶模阻抗； 第三步：由各級奇、偶模阻抗，綜合出微帶線結(jié)構(gòu)尺寸（這一個部分用PUFF實現(xiàn)）。$4.2.2計算公式本文所述的設計方法，用到的公式很多，有些公式如最大平坦特性與切比雪夫特性濾波器歸一化低通原型的階數(shù)及元件值的計算公式及很多圖表，很多書中都有說明，這里就不再介紹，查閱公式和圖表請參閱參考書目，那里有很詳盡的公式及圖表介紹。在此首先給出由低通到帶通的頻率變化式；接著給出由低通原型元件值到奇

6、、偶模特性阻抗的計算式。 1、由低通到帶通的頻率變換上式中，為低通原型的頻率變量，是低通原型的截止頻率，是帶通濾波器的帶邊頻率，是帶通濾波器的頻率變量，是帶通濾波器的中心頻率，是帶通濾波器的相對帶寬，它按下式計算：1、 耦合線節(jié)的奇、偶模阻抗設濾波器的節(jié)數(shù)為n，歸一化低通原型的元件值為g0,g1,g2gn+1，則有以下設計公式：( 3 ) (j=1，2，n-1) ( 4 )( 5 )其中，Y0為傳輸線特性導納，J代表導納倒置轉(zhuǎn)換器，其余參數(shù)W、同(1)這樣，我們可以得第J個耦合線節(jié)的奇模阻抗和精模阻抗分別為：2、 由各級奇、偶模阻抗綜合出微帶線結(jié)構(gòu)尺寸這部分公式繁多，計算麻煩，本文應用PUFF

7、軟件自動計算出平行耦合線的各參數(shù)值。 $4.2.3 濾波器的理論設計設計指標：中心頻率f0：2.45GHz；帶寬BW：100200MHz（這里理論計算采用100MHz）；輸入、輸出的特征阻抗均為50；在f2.15GHz上衰減46dB；選用紋波系數(shù)為0.01dB的切比雪夫原型。（1）、設計低通原型由公式(1)計算的6，則查圖表得知階數(shù)n3，再次查找紋波系數(shù)為0.01dB的切比雪夫原型的元件數(shù)值表的：g01，g10.6292，g20.9703，g30.6292，g41，1。（2）、計算導納變換器的歸一導納由公式( 3 )、( 4 )、( 5 )計算得：0.316，0.08，0.08，0.316。（

8、3）、計算各平行耦合線節(jié)的奇模和偶模的阻抗由公式( 6 )、( 7 )計算得：( Z0e )01=( Z0e )34=50*(1+0.316+0.316*0.316)=70.7928；( Z0o )01=( Z0o )34=50*(1-0.316+0.316*0.316)=39.1928；( Z0e )12( Z0e )2354.32；( Z0o )12( Z0o )2346.32；（4）、計算平行耦合線節(jié)的W、S和L這部分計算由PUFF完成：在PUFF界面按F3，激活F3窗口，設置里面的數(shù)值為：“a clines 71 39 90°”表示a是理想雙傳輸線，長度為四分之一波長，偶模阻

9、抗為71，奇模阻抗為39；“b clines 54 46 90°”表示b是理想雙傳輸線，長度為四分之一波長，偶模阻抗為54，奇模阻抗為46；（其奇偶模得阻值由前面計算所得，其計算帶寬為100MHz。）把光標移到a，安下“”鍵，即得該傳輸線得參數(shù)值：L=12.523mm,W=0.846mm,S=0.292mm;同樣得b傳輸線得參數(shù)值為：L=12.217mm,W=1.099mm,S=1.482mm.理論設計完成，即可在ADS中進行優(yōu)化設計與仿真。3、具體設計過程3.1創(chuàng)建一個新項目 啟動ADS 選擇Main windows 點擊建立一個新的project，出現(xiàn)下面對話框 選擇保存的路徑和

10、鍵入文件名，點擊“ok”即創(chuàng)建了一個新項目。 點擊，新建一個電路原理圖窗口，開始設計濾波器。3.2濾波器電路設計及仿真 在中選擇Tlines-Microstrip 類，然后在這個類里面分別選擇、和并安放在適當?shù)奈恢茫?個和2個按照圖1放好。 點擊，加2個port，并按圖所示位置放好。 單擊連好線。圖1濾波器初始電路圖 雙擊圖1中的，并修改下面對話框的內(nèi)容，主要設定基片的各種屬性。其中H是基片的厚度，Er是介電常數(shù)，T為基片上面金屬層的厚度，TanD是基片的損耗。 依次雙擊圖1中的和，并修改下面對話框的內(nèi)容，主要設定微帶線節(jié)的屬性（數(shù)據(jù)前面已經(jīng)計算得出，圖1中的Mlin是2節(jié)50的傳輸線，查表得

11、寬度為1.07mm）。 在中選擇Simulation-S_Param類，然后在這個類里面分別選擇和并安放在適當?shù)奈恢?，點擊，加2個地端，最后單擊按照圖2連好線。圖2 濾波器S參數(shù)的仿真電路 雙擊圖2中的，編輯下面的對話框，設定S參數(shù)仿真的頻率范圍。 按進行仿真。 在Data Display窗口，就是新彈出的窗口中，按鍵，選擇下面對話框的內(nèi)容S11、S12。 點擊ok后即得濾波器的特性曲線如圖3所示。其帶寬為190MHz，只是頻率有所偏移，不能達到損耗要求，可以通過TURN改進。圖3 在窗口中選擇markernew，然后在曲線中標識一個合適的點，以便優(yōu)化所用。如上圖 回到電路圖的窗口，點擊，進行

12、協(xié)調(diào)修正優(yōu)化，然后在下面的窗口中選擇修正的參數(shù)并進行修正。 隨著所修正參數(shù)值的變化，曲線也隨著變化，達到滿足要求后的值時按一下update按鈕，即得到修正后的結(jié)果，各個參數(shù)值為a傳輸線L12.1mm,W=0.85mm,S=0.3mm；b傳輸線L=12mm,W=1.08mm,S=1.55mm.最后的S參數(shù)仿真結(jié)果為：其帶寬為190MHz，中心頻率處的損耗為0.25dB，滿足設計要求。5.2版圖Momentum仿真 撤掉S參數(shù)仿真的模型，恢復電路如圖1所示，點擊layoutGenerate/Update layout，電路自動生成layout版圖，如圖所示： 設置Substrate，點擊，然后再點

13、擊，即完成設置模擬。 設置port，點擊 ，編輯下面這個窗口，完成端口設置。 Mesh仿真，點擊，輸入下框中的頻率數(shù)值，點擊ok開始模擬。 最后進行simulate，點擊，編輯下面對話框，如圖：設置完后點擊simulate，計算機則開始計算模擬，需花費一定時間。模擬結(jié)束后自動打開data display窗口，顯示各種曲線，如圖 然后點擊，則出現(xiàn)下圖：圖4 點擊顯示S參數(shù)的曲線，如圖：S12 S參數(shù)曲線 同上即得相位、輸入輸出阻抗等曲線，如圖：S12相位曲線S21圓圖輸入阻抗曲線4、總結(jié)從最后的仿真結(jié)果可以看出仿真結(jié)果與理論設計得100MHz帶寬有一定的誤差。分析其誤差得來源主要有：1、計算濾波器階數(shù)以及切比雪夫原型的元件值所查得圖表得誤差；2、計算歸一導納和奇偶阻抗的數(shù)據(jù)舍入的誤差；3、理論計算沒有考慮基片的損耗，而ADS軟件是一個工程軟件，設計模擬過程中考慮了基片的損耗、外界的干擾等各種因素，使得每一節(jié)的耦合線得Q值降低，一共有4節(jié)，從而帶寬明顯比理論值大，這個是最