基于ADS的平行耦合微带线带通滤波器的设计及优化

     摘  要: 介绍一种借助ADS( Advanced Des ign System )软件进行设计和优化平行耦合微带线带通滤波器的方法， 给出了清晰的设计步骤， 结合设计方法利用ADS给出一个中心频率为2. 6 GHz， 带宽为200MH z的微带带通滤波器的设计及优化实例和仿真结果， 并进一步给出电路版图Momentum 仿真结果。仿真结果表明: 这种方法是可行的， 满足设计的要求。

　　滤波器是用来分离不同频率信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号， 使其不能通过滤波器， 只让需要的信号通过。在微波电路系统中， 滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器， 对设计微波电路系统具有很重要的意义。微带电路具有体积小， 重量轻、频带宽等诸多优点， 近年来在微波电路系统应用广泛， 其中用微带做滤波器是其主要应用之一。平行耦合微带线带通滤波器在微波集成电路中是被广为应用的带通滤波器。

　　1  基本原理

　　当两个无屏蔽的传输线紧靠一起时， 由于传输线之间电磁场的相互作用， 在传输线之间会有功率耦合， 这种传输线称之为耦合传输线。根据传输线理论， 每条单独的微带线都等价为小段串联电感和小段并联电容。每条微带线的特性阻抗为Z 0， 相互耦合的部分长度为L， 微带线的宽度为W， 微带线之间的距离为S， 偶模特性阻抗为Z e， 奇模特性阻抗为Z0。单个微带线单元虽然具有滤波特性， 但其不能提供陡峭的通带到阻带的过渡。

　　如果将多个单元级联， 级联后的网络可以具有良好的滤波特性。

图1  5级耦合微带线带通滤波器

　　2  设计步骤

　　2. 1  设计低通原型

　　根据带通滤波器的一系列参数通过频率变换和查表选择低通原型滤波器的归一化原型参量。

　　用ω1 和ω2 表示带通滤波器的下边界和上边界，ω0表示中心频率。将带通滤波器变换为低通原型。

　　归一化带宽：

　　查表得到归一化设计参数g1， g2. . . gN gN + 1。

　　2. 2  计算各节偶模和奇模的特性阻抗设计

　　用g1， g2. . . gN gN + 1和BW 确定带通滤波器电路中的设计参数耦合传输线的奇模和偶模的特性阻抗:

　　2. 3  计算微带线的几何尺寸

　　根据微带线的偶模和奇模阻抗， 按照给定的微带线路板的参数， 使用ADS 中的微带线计算器L ineC alc计算得到微带线的几何尺寸W， S， L。

　　2. 4  仿真及优化

　　连接好电路， 将计算出的W， S， L 输入， 扫描参数为S11， S21， 进行仿真。一般来说用理论值的得到仿真结果和实际想要得到结果有出入， 这就需要进行优化。我们可以用ADS中的Opt im 工具来进行多次的优化直到达到预定的设计要求。

　　3  设计实例

　　设计指标: 中心频率f 0 为2. 6 GHz， 带宽200MH z， 在f = 2. 8 GH z及2. 4 GHz上衰减不小于40 dB， 通带内纹波3 dB， 输入输出特性阻抗均为50 。

　　微带电路板的参数如下: 厚度H = 0. 4mm， 介质相对介电常数为E r = 3. 66， 相对磁导率为Mur= 1，金属层厚度T = 0. 03mm， 损耗正切角TanD = 0。

　　根据设计的指标及式( 1) 我们选用n = 5 的3 dB纹波切比雪夫低通原型。查表求得低通滤波器原型的原件取值为:

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

　　由式( 3)得:

　　计算平行耦合线的W， S， L， 由ADS中的L ineC alc得到。

表1  各节耦合微带线的尺寸单位: mm

图2  ADS L inecalc模块。

　　将上述的结构尺寸输入ADS中并设置微带电路板的参数和S参数的频率扫描范围进行原理图仿真。

　　以下图3是理论计算值的仿真原理图， 图4是仿真结果。

图3  微带线带通滤波器设计原理图。

图4  传输、反射系数仿真曲线图。

　　经过分析仿真结果出现了中心频率点偏移的， 并且通带内的反射系数较大， 在2. 4 GH z上衰减没有达到要求， 因此需要对其进行优化。优化时要注意: 耦合线的W， S， L 不要设为具体的值， 而是要有各个变量来代替， 因为这些参数就是优化的目标。变量的设置要需要借助变量控件VAR来完成， 在VAR中要设置合理的数据范围。优化还需要Optim 控件和目标控件Goa，l 将Opt im 控件中的M axlters的值该为100， 增加优化次数。根据我们的设计要求设置四个Goal控件。依次分别为: 优化通带内的S ( 2， 1)、优化通带内的S ( 1， 1) (优化通带内的反射系数)、优化低端阻带内的S ( 2， 1) (设定2. 4 GH z以下达到40 dB衰减)和优化高端阻带内的S ( 2， 1) (设定2. 8 GH z以上衰减达到40 dB)。如果优化不能满足设计指标的要求， 则需要再改变变量的取值范围， 进行重新优化， 直到满足要求为止。

　　图5为优化原理图， 图6是优化后生成的仿真结果。由图6 中可以看到f = 2. 6 GHz时， S ( 2， 1) =- 0. 113 dB， f= 2. 8 GH z和f = 2. 4 GH z时衰减都大于40 dB， 反射系数也比较理想， 各项基本满足设计要求。

　　微带滤波器的实际电路是由实际电路板和微带线构成的， 实际电路的性能可能会与原理图仿真的结果会有很大的差别。因此， 需要在ADS中对版图进行进一步的仿真之后才能进行电路板的制作。首先我们要生成版图， 由优化后的原理图生成的版图如图7所示。

　　接着我们对电路版图进行矩量法Momen tum 仿真， 仿真结果如图8。由图8可以看出版图仿真得到的曲线满足指标要求。版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算， 考虑了实际因素， 其结果比在原理图中仿真更加真实。

图5  微带线带通滤波器优化原理图

图6  优化后的S 参数曲线图。

图7  微带版图。

图8  微带版图仿真曲线。

　　4  结论

　　本文从耦合微带线的基本理论出发， 完整的阐述一种利用ADS 来进行微带带通滤波器的设计方法， 并设计出了一个达到预期的微带带通滤波器。

　　利用ADS软件可以大大减少工程师的工作量， 并且能提高效率， 降低成本。

  

参考文献:

[1]. S11 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/S11_1617658.html.