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【資料圖】

帶通濾波器設計(二階有源帶通濾波器設計)

ADS(高級設計系統)用于設計平行耦合微帶帶通濾波器。為了縮短微帶帶通濾波器的設計周期，提高其性能，利用ADS中的無源電路設計指南工具，設計了一個中心頻率為3.0 GHz，帶寬為60 MHz的平行耦合微帶帶通濾波器。參數優化后，進行了電路版圖仿真。仿真結果表明，設計周期短，方法可行，設計的帶通濾波器滿足各項指標要求。

廣告；微帶線；帶通濾波器；布局模擬

濾波器在無線通信系統中非常重要。它們可以用來分離和組合不同的頻率，起到選擇頻段和通道的作用，可以濾除諧波，抑制雜散。在微波系統中，濾波器的性能在整個電路的設計中起著重要的作用[1]。隨著通信技術的發展，由電感、電容等集總元件構成的濾波器已經不能滿足高頻濾波器的設計要求，而由分布參數元件構成的微帶濾波器不僅能滿足高頻濾波器的設計要求[2]，還具有重量輕、小型化、易于集成在微波集成電路中的特點。

隨著市場需求的不斷提高，射頻電路的應用頻率越來越高。為了滿足高速信號傳輸，對電路參數的要求越來越嚴格，但產品的設計周期越來越短。傳統的微帶濾波器設計方法是利用經驗公式查找微帶線的相關參數。因為這個過程繁瑣，計算量相當大，數據不準確，容易出錯。因此，本文采用美國安捷倫公司引進的ADS軟件，可以完成從開始到結束的整個信號通路的仿真以及從原理圖到PCB版圖的各個層次的仿真。利用ADS軟件中的無源電路設計指南工具，可以快速準確地設計出高性能的并行耦合微帶帶通濾波器[3]。

傳輸線理論是從分布參數電路理論發展而來的，是一種用來引導電磁能量和信息傳輸的裝置。傳輸線可以作為傳輸介質，也可以用來 *** 各種類型的器件。傳輸線又叫長線，因為它在空之間某一方向的長度與其內部電壓電流的波長相近，所以必須考慮它的參數分布特性。微波傳輸線是一種分布參數電路。線路上的電壓和電流是時間和空之間位置的二元函數，它們沿線路的變化可以用傳輸線方程[4]來描述。

微帶線是微波傳輸線的重要組成部分之一。其幾何結構和場結構分別如圖1(a)和圖1 (b)所示。它由寬度為W、厚度為T的中心導帶和金屬接地板組成。在導帶和接地板之間填充介電常數為εr的均勻電介質。微帶線的幾何結構并不復雜，但其電場和磁場卻相當復雜。微帶線上的傳輸不是嚴格的TEM波，而是準TEM波。由于介質基片的存在，場的能量主要集中在基片區域，其場分布與TEM波非常接近，故稱為準TEM波[5]。

平行微帶濾波器的結構如圖2所示，其中每段線為半波長諧振器，每段線之間的縫隙為耦合元件，該縫隙的諧振邊可以實現寬帶耦合[6]。

2設計平行耦合微帶帶通濾波器。

帶通濾波器的設計基于低通濾波器的原型。從低通濾波器到帶通濾波器的頻率轉換公式如下(1):

根據得到的歸一化頻點ω和濾波器阻帶衰減指標，確定帶通濾波器的級數，參考阻帶衰減指標和帶內紋波指標，通過不同的設計方法，找出元件參數，最終得到奇模特性阻抗和偶模特性阻抗，計算公式如公式(2)所示:

其中包括:

最后可以得到微帶線的寬度w、長度l和間距s。基于這些理論知識，建立了本文直接使用的ADS無源電路設計指導工具。該方法可以直接給出微帶帶通濾波器的模型，確定濾波器微帶線的數目和尺寸，簡單高效。

2.1過濾器的索引

本文設計的微帶帶通濾波器的指標為:中心頻率為3.0 GHz，帶寬為60 MHz，帶內衰減小于3 dB，端口反射系數小于-15 dB，在2.85 GHz和3.15 GHz頻率下阻帶衰減大于35 dB。無論是在原理圖設計過程中，還是在最終的PCB版圖仿真中，所有參數都要滿足設計的更低要求。在設計過程中，要考慮到設備的制造精度會影響微帶線的寬度W、間隙S和長度L。當微帶寬度W的制造精度僅為1 mil時，制造的微帶寬度W與仿真的微帶寬度之間的誤差可能達到0.5 mil，因此實際電路中微帶寬度W的變化可能會影響濾波器的性能。此時需要在原理圖仿真和版圖仿真中反復優化微調微帶寬度W、長度L、間距S，觀察尺寸稍有變化時濾波器的參數是否穩定。只有所設計的微帶帶通濾波器穩定可靠，才能投入實際使用。

2.2濾波器模型子電路的生成

在傳統的微帶濾波器設計方法中，通過查表計算濾波器的個數n，然后確定標準低通濾波器的參數，計算傳輸線奇數模和偶數模的特性阻抗。最后用ADS工具[7]計算出濾波器微帶線的幾何尺寸。可以看出，傳統的微帶線濾波器設計方法是利用經驗公式查表等方法得到微帶線的相關參數。這個過程繁瑣，計算量相當大，數據不準確容易出錯。本文介紹的ADS中的無源電路設計指南工具可以解決這些問題。無源電路設計指南工具可以先確定帶通濾波器模型的大方向，生成帶通濾波器的子電路，然后不斷優化。

在“無源電路設計指南”面板中選擇“微帶耦合線濾波器”作為帶通濾波器模型，一個微帶濾波器設備將出現在原理圖窗口中。在出現的窗口中設定帶通濾波器的各種參數。設置好參數后點擊設計向導窗口中的設計按鈕，初步仿真結果如圖3所示。系統原理圖中會自動生成一個帶通濾波器的子電路，并根據設置的參數計算出濾波器級數、寬度W、槽S和微帶線長度L，如圖4所示。

從圖3可以看出，仿真結果與要求的設計參數相差很大，因為無源電路設計向導工具只能生成一個大致方向的微帶帶通濾波器模型。這個模型建立后，可以根據需求在后續步驟中反復模擬優化，達到設計目的。

從濾波器模型生成的子電路圖可以看出，濾波器的級數為5，各級微帶線的寬度W、槽S、長度L都已經計算出來。與傳統的濾波器設計方法相比，這種設計方法的周期大大縮短，而且計算數據準確，不存在人工計算誤差的可能。

2.3原理圖模擬和優化

放置和連接模擬器，微帶參數控制，優化參數控制等。根據示意圖。連接后的原理圖如圖5所示。本文選用Rogers R04003C高頻電路板材料，由玻璃纖維增強碳氫/陶瓷基板(非聚四氟乙烯)組成[8]。它具有高頻性能好、生產成本低、電路板損耗低的特點，還具有許多普通電路板材料不具備的優點，如介電常數和溫度系數低。選取的電路板材料參數如下:微帶線基片的相對介電常數εr為3.55，損耗角正切tan為0.002 7，微帶線基片的厚度h為0.508 mm，微帶線的磁導率mur為1。

在設定好介質參數和掃描參數后，進行連續的模擬和優化。圖6(a)和(b)顯示了優化的S11和S21參數。

實際上，原理圖的仿真結果是經過反復優化后的理想結果。從仿真結果可以看出，通帶傳輸衰減在2.97~3.03 GHz小于5 dB，端口反射系數小于-30 dB，阻帶衰減在2.85 GHz和3.15 GHz大于35 dB。仿真結果基本滿足指標要求，通帶傳輸的衰減參數將在后續的版圖仿真中得到改善。

2.4PCB布局仿真和優化

從優化的濾波器電路原理圖生成PCB布局，如圖7所示。設置所需的微帶線和基板參數，增加濾波器的輸入輸出兩個端口，設置仿真參數后進行仿真。在PCB布局仿真中，由于微帶線處于高頻狀態，整個電路會在空 [9]之間產生邊緣效應和能量輻射，導致傳輸損耗較大，仿真結果不如原理圖中理想。經過反復調整和優化后的仿真結果如圖8(a)和8 (b)所示。

從版圖仿真結果可以看出，2.97~3.03 GHz通帶傳輸衰減小于3 dB，端口反射系數小于-15 dB，2.85 GHz和3.15 GHz阻帶衰減大于35 dB。版圖仿真結果滿足設計要求。可以看出，版圖仿真結果中端口的反射系數比原理圖中的要差。這是因為版圖仿真中考慮了微帶基板的介電常數和損耗角正切，導致了傳輸線在傳輸過程中的介電損耗和能量損耗，但仿真結果完全滿足設計要求。

3結束語

本文利用ADS中的無源電路設計向導工具，快速準確地設計平行耦合微帶帶通濾波器，大大提高了工作效率，縮短了設計周期，避免了人工計算出錯的可能。考慮到目前設備制造精度的影響，本文在原理圖和版圖仿真中反復微調和優化微帶線的尺寸，保證了所制造的微帶帶通濾波器的高可靠性，為后續不同類型濾波器的設計提供了很好的參考。

參考

[1]徐興福。ADS2008射頻電路設計與仿真實例[M].北京:電子工業出版社，2011。

[2]張龍。多層介質結構LC帶通濾波器的設計與 *** [D].南京:南京郵電大學，2013。

，姚志成，莊，，等.一種新型差分低通濾波電路的設計[J].電子技術的應用，2014，40 (11): 50 52。

廖承恩。微波技術基礎[M]。Xi安:西安電子科技大學出版社，1994。

周洋。微波功率合成器的設計與研究[D]。成都:電子科技大學，2007。

甘本健，吳萬春。現代微波濾波器的結構與設計[M].北京科學出版社1973年。

、黃卡馬、。射頻通信電路的設計[M].北京科學出版社2005。

楊偉生。多層微波 *** 的PCB制造研究[J].印刷電路信息，2005(8):47 53。

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關鍵詞： 通濾波器