耦合微带滤波器的快速成型设计

罗时书 淮安信息职业技术学院 223003

章万静 电子工程学院 223003

朱彩霞 计算机与通信工程学院 223003

【文章摘要】

本文首先介绍了传统的耦合微带带通滤波器的设计方法，然后提出了基于ADS 仿真软件快速设计微带滤波器的方法，设计中对原理图和版图多次进行参数优化，最后参数仿真效果达到指标要求。和传统滤波器的设计方法相比，该方法的运用降低了电路设计的工作量，缩小了产品设计周期，提升了器件的性能，它对实际工程中设计微带滤波器有着很大的实用价值。

【关键词】

ADS ；微带带通滤波器；优化

0 引言

滤波器是微波通信领域里的重要器件，其主要功能是抑制不需要的信号，让需要的信号顺利通过。滤波器性能的优劣直接影响到微波电路的性能指标，因此，如何设计高性能的滤波器具有重要的意义。微带滤波器具有体积小、重量轻、频带宽、价格适中、制作简单等优点, 近年来已经广泛应用于微波电路的系统电路设计中。

1 耦合微带线电路结构

图1 是一对耦合微带线的截面图。两条线在没有屏蔽的情况下靠近在一起传输信号时，这些传输线间存在互相影响的电磁场，也存在功率耦合，此类传输线常常叫做耦合传输线。平行耦合传输线一般为距离很小的三个导体组成，这种结构介质厚度用h 表示，介质相对介电常数用表示，介质的底面是公共的导体接地板。介质的上面是两个中心导体带，它们距离用S 表示，宽度用W 表示。

2 耦合微带带通滤波器设计方法

多节耦合微带带通滤波器因为在结构上不需要连接地，所以结构简单，易于实现，是一种广泛使用的滤波器。它们能够在厚度非常小的介质基片上制作完成，它的纵向尺寸与工作波长大小相当，若使用介电常数较高的介质基片就能够使线上的波长变为自由空间的几分之一。这种带通滤波器的设计需要分析、计算，下面给出相应电路设计的步骤：

1）按照待设滤波器的阻带与通带衰减特性要求，选取合适的低通滤波器原型，从而明确待设滤波器的阶数，而后查表得到低通滤波器的原型的具体参数值。

2）明确滤波器的上边频、下边频和归一化带宽，假定下边频为、上边频为， 中心频率为，则归一化带宽可用1 式表示。

(1)

3）分析每一节微带耦合线的奇模特性阻抗和偶模特性阻抗。

(2)

(3)

(4)

上式中分别为滤波器低通原型的归一化值。平行耦合微带线各节的 可由式5 和6 来求得。

(5)

(6)

式5 和6 中下标i，i+1 表示耦合微

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带线的耦合单元；滤波器输出端口与输入端口传输线的特性阻抗用Z0 表示，取值为50Ω。

4）确定微带线实际尺寸。

依据前面的分析可以获得每一节微带线的奇、偶模特性阻抗，一般的方法是利用查表分析取得各微带线的几何尺寸，本设计通过软件自带的工具来分析它的实际尺寸。

3 耦合微带带通滤波器设计

下面用平行耦合微带线来设计一个带通滤波器：带通滤波器通带频率区间为3.9 ～ 4.1 ，中心频率为4 ，通带内衰减不大于2 ，频率在大于4.4 和小于3.6 时信号的衰减不小于20 ，基板厚度为h=0.5mm，基板相对介电常数=2.2，输入输出阻抗为50Ω。

首先分析得到滤波器低通原型的阶数N

按照平行耦合带通滤波器在4.4 处的衰减不小于20 的指标可以明确该滤波器低通原型滤波器的阶数，先把4.4 这个频率变换为归一化低通方式：

依据设计指标， ，查表得滤波器的阶数=3，带内纹波0.5 的切比雪夫滤波器原型参数为：

根据上面表达式计算每节奇偶模的特性阻抗，滤波器需要4 节耦合微带线级联，经过式2 ～式5 计算，各节奇偶模的特性阻抗可用表1 表示。

在ADS 原理图模块里选取器件，绘制原理图。然后进行参数设置：介电常数取2.2，基片厚度取0.5mm，金属层厚度为0.05mm，滤波器两端引出线的特性阻抗为50Ω，耦合线和短接线宽度可以通过ADS 自带的工具分析得到，数据如表2 所示。

从仿真结果可以看出，在3.9 和4.4 符合要求，但是在4.1 和3.6 处不符合要求，所以电路需要进行优化。设计参数优化过程主要把滤波器的S 参量作为优化目标而进行优化仿真，即选取四段耦合微带线的w、s、l 三个变量作为优化目标，用S21 来优化通带、阻带的衰减，最后用随机法对设计电路进行全局优化，优化仿真后的效果图用图2 表示，满足设计指标要求。优化后原理图生成版图，再对版图进行仿真，效果同样满足设计指标要求（不满足的要回到原理图里重新优化仿真，直至版图仿真效果符合电路设计指标要求）。

耦合带通滤波器电路原理图仿真优化后微带线数据如表3 所示。

4 结束语

从耦合微带滤波器电路仿真过程可以发现，ADS 软件极大的便利了微波电路设计。通过ADS 设计、仿真，我们发现只进行原理图仿真是不够的，还需要对微带带通滤波器进行版图仿真，直至其仿真取得理想的仿真效果。虽然软件仿真不能替代实物制作，但是版图仿真的尺寸和实物尺寸无限接近，所以它对微波电路分析具有很重要的指导作用。ADS 软件的使用， 极大地缩短了设计周期，提高设计效率。

【参考文献】

[ 1 ] J I A - S H E N G H O N G ， M . J . LANCASTER．Microstrip Filters for RF/Microwave Applications，JOHN WILEY & SONS, INC，2001

[2] 黄玉兰．ADS 射频电路设计基础与典型应用，人民邮电出版社， 2010.1

[3] 甘本拔，吴万春．现代微波滤波器的结构与设计，科学出版社，1974

【个人简介】

罗时书, 江苏涟水人，1980 年12 月出生，本科学历，南京理工大学硕士. 在读，研究方向：通信与信息系统。

图1 耦合微带线的截面结构图

表1 耦合微带线滤波器奇偶模特性阻抗表

表2 耦合带通滤波器的微带线尺寸

图2 耦合带通滤波器优化后的电路仿真曲线图

表3 耦合带通滤波器优化后的耦合线尺寸

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