基于HFSS与ADS结合的微波滤波器设计

　　摘要：基于HFSS与ADS结合的微波滤波器设计方法是利用HFSS进行滤波器建模，并结合ADS进行曲线仿真，本文给出了具体的设计实例，并给出部分器件的仿真结果、实物和测试结果。所设计的滤波器具有：结构紧凑、性能优良以及研制周期短等优点，并已经投入实际的工程应用。

　　抽头式交指线微波滤波器具有较多优良特性：结构紧凑、结实，可靠性好；谐振器间的间隔较大，对加工要求不高；一般在没有电容加载情况下，谐振杆的长度近似为λ0/4,第二通带的中心在3ω0上，也有较好的阻带特性；另外，在ω=0和ω=ω0的偶数倍上，具有高次衰减极点，因而阻带衰减和截止率都比较大；既可以作为印刷电路形式，又可以用较粗的杆作成自行支撑，而不用介质。基于上述，交指型滤波器的谐振器既可用矩形杆，也可用圆杆实现。下面给出利用矩形杆的微波滤波器的设计实例。

　　经过多位高工的研讨，本微波实训平台设计的滤波器主要是针对前级的天线而来的，即要实现的级联。所以有必要阐述下前级的天线的具体规格：

　　设计的天线是在2.36GHz附近工作，而我在这里设计的滤波器目的是针对移动通信设计，所要求带宽较窄，令带宽在50MHz左右，符合天线能提供的范围。滤波器使用的基板参数还是εγ=9.6,H=1.27mm,此时基板上传输线的阻抗50W.

　　根据实训教学的需要及制作成本等因素，确定如下参数：

　　中心频率f0=2.36GHz;带宽为Δ f = 5 0 M H z ~ 7 0 M H z （ 计算按50MHz）；带内插损Lp≤3dB;带内驻波ρ≤2;带外抑制在f0±0.05GHz处Ls≥20dB;体积要求V≤20×30×100（mm3）输入输出方式SMB.

　　参考上述的指标，采用交指线滤波器设计。滤波器设计过程中，首先利用等效电路法给出滤波器抽头单元和内部结构的初值，利用HFSS仿真软件对抽头单元进行分析，并进行滤波器结构性的建模，然后结合ADS,利用Passive circuit DG-filters模型中的interdigita进行曲线仿真。

　　滤波器的阶数取为n=7,带内取0.01dB切比雪夫等波纹设计，谐振杆的长度取为λ0/4略短些，设计中，采用了矩形杆结构，下面将矩形杆结构的终参数值列十表5-4中，并给出了矩形杆仿真结果。

　　则低通原型元件值查表（见表1）可得g 0= g 8= 1;g 1= g 7= 0 . 7 9 6 9;g 2= g 6=1.3924;g3=g5=1.7481;g4=1.6331; 1 '=  1ω  .

　　

　　利用等效电路分析方法可以给出抽头线的设计初值，但是只能给出抽头线距离谐振器接地端的长度，即ι=3.3mm,抽头结构滤波器的设计中抽头线高度和抽头线到谐振器的长度S01对整体性能影响都比较大，利用有载品质因数的参数提取方法所得到的结果会更准确些。

　　根据交指型滤波器的公式和滤波器带宽FBW的要求，计算相关参数：

　　

　　经过计算，矩形杆结构尺寸如表2所示：

　　

　　其中，W为矩形杆的宽度，Si,j+1为杆间的边缘距离，Pi为谐振杆的高度（略小λ/4,l为抽头线距短路端的长，S01为谐振杆距边缘的长度，t和h分别是谐振杆和腔体的厚度，而且腔体总高为35mm.

　　根据以上参数利用HFSS进行结构性仿真，仿真结构图如图1所示，结合ADS进行曲线仿真，仿真响应曲线图如图2所示。

　　

　　

　　图3和图4分别给出矩形杆结构的滤波器的实物照片和测试结果。

　　

　　

　　在调试中也采用了螺钉调整频率和带宽。

　　从测试结果可以看出，通带性能较好，插损小于3.0dB,驻波系数在20dB左右，都满足了滤波器的设计要求。（作者：陶世怀）