基于ADS的平行耦合微带线带通滤波器的设计

基于ADS的平行耦合微带线带通滤波器的设计
摘要：本文介绍了平行耦合微带线带通滤波器的电路结构，阐述了设计带通滤波器的方法，最后给出了相对带宽为10%的滤波器设计的实例及仿真分析结果，证明了该方法的可行性和便捷性。

关键词: ADS; 微带线；带通滤波器；优化
0 引言
微带滤波器具有小型化、高性能、低成本等优点，在射频电路系统设计中得到广泛的应用。

其主要技术指标包括传输特性的插入损耗及回波损耗，通带内的相移与群时延，寄生通带等参数。

传统的设计方法是通过经验公式和查表来求得相关参数，方法繁琐且精度不高。

近年来，随着射频CAD软件的不断发展，微带滤波器的设计也进入了一个全新的阶段。

借助CAD软件可以避开复杂的理论计算，进一步精确和调整设计参数，确保设计出的滤波器特性符合技术要求。

本文通过ADS软件对平行耦合微带线带通滤波器进行优化仿真设计，证明了该方法的可行性和便捷性。

1微带带通滤波器的理论设计方法
1.1 微带带通滤波器主要指标和基本设计思想
微带滤波器的主要技术指标包括以下几个:
(1) 通带边界频率与通带内衰减、起伏, 以及阻带边界频率与阻带衰减;
(2) 通带的输入电压驻波比;
(3) 通带内的相移与群时延;
(4) 寄生通带, 它是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的, 即离设计通带一定处又产生了通带。

微波带通滤波器应用广泛, 结构多样, 但以微带线实现带通滤波器的结构种类有限, 为此,本文以平行耦合微带线为例来设计微带带通滤波器。

由于单个带通滤波器单元不能提供良好的滤波响应及陡峭的通带- 阻带过渡, 而通过级连基本的带通滤波器单元则可以得到高性能的滤波效果。

图1所示是一种多节耦合微带线带通滤波器的结构示意图, 这种结构不要求对地连接, 因而结构简单, 易于实现, 这是一种应用广泛的滤波器。

整个电路可以印制在很薄(小于1mm) 的介质基片上; 其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟, 但采用高介电常数的介质基片则可使线上的波长比自由空间缩小几倍; 此外, 整个微带电路元件共用一个接地板, 且只需由导体带条构成电路图形, 因而结构大为紧凑, 大大减小了其体积和重量。

多节耦合微带线带通滤波器的结构示意图
图1 多节耦合微带线带通滤波器的结构示意图
1.2 平行耦合微带线带通滤波器的理论设计方法 1.
2.1 平行耦合微带通滤波器单元特性
平行耦合微带线带通滤波器的基本单元如图1 所示。

每条微带线的宽度为W ，微带之间的距离为S ，相互耦合部分的长度为L 。

单个λ/4 长平行耦合微带线单元具有典型的带通滤波器的特性，但不能提供良好的滤波器响应及陡峭的通带到阻带的过渡。

如果将多个耦合微带线单元级联可构成高性能的带通滤波器，具有良好的滤波特性。

图2 耦合微带线基本单元
1.2.2 设计步骤
(1) 选择标准低通滤波器参数。

根据需要的衰减和波纹， 通过查表选择合适的标准低通滤波器参数
0,1,2,1......n n g g g g g +
(2) 根据上边频和下边频，确定滤波器相对带宽∆。

21
c
w w w -∆=
(3) 根据相对带宽确定耦合微带线各节偶模和奇模的特性阻抗
n,n+10J Z =
(3)
i,i+10J Z =
（i 从1到n-1） (4)
()2
0000[1]e Z Z JZ JZ =++ (5) ()2
0000[1]o Z Z JZ JZ =-+ (6)
其中下标i , i +1表示耦合段单元，0Z 取50Ω，是滤波器输入、输出端口的传输线特性阻抗。

(4) 确定微带线的实际尺寸。

根据得到的各节微带线的奇模特性阻抗和偶模特性阻抗，传统的方法是通过查表计算得到其几何尺寸，本文是利用ADS 自带的LineCale 工具计算其实际几何尺寸。

2 基于ADS 的平行耦合微带线带通滤波器设计实例
2.1 设计指标
(1) 带通滤波器中心频率2GHz ； (2) 通带 1.9-2.1GHz ；
(3) 通带内衰减小于2dB ，起伏小于1dB ，端口反射系数小于-15dB ；
(4) 1.7GHz 以下及2.3GHz 以上衰减大于20dB,通带内输入驻波比小于2dB; (5) 微带线基板的厚度选为0.8mm ，基板的相对介电常数选为4.3。

2.2 ADS 的设计及优化
根据1.7GHz 频率点的衰减大于20dB 的要求可以确定低通原型滤波器的阶数:首先将1.7GHz 这个频率转换到归一化低通形式（c ω=1）：
0011 1.72 3.260.12 1.7ωωωωω⎛⎫⎛⎫
→
-=-=- ⎪ ⎪∆⎝⎭
⎝⎭
这个值在图上横向标度是：
1 3.261 2.26c
ωω-=--=，
查表得滤波器的阶数min N =3,带内波纹为0.5 dB 的Chebyshev 滤波器原型参数为：1g =1.5963, 2g =1.0967, 3g =1.5963，
04g g ==1.0000。

利用公式(5)和(6)求出平行耦合微带线的奇模、偶模特性阻抗，计算结
表1 耦合微带线的奇模、偶模特性阻抗
利用 ADS 软件进行优化设计，在ADS 原理图板块中选择Mcfil 、MLIN 及MSUB 等元件模拟微带线进行布局，并将其连接好，插入VAR 变量控件、S 参数仿真控件和Goal 优化控件，得到微带线带通滤波器的优化原理图如图3所示。

设置控件MSUB 参数时，可选基片厚度0.8mm ，介电常数4.3，磁导率为1，金属电导率为5.88E+7，封装高度1.0e+33mm,金属层厚度0.03mm ，损耗正切角为1e-4,表面粗糙度为0mm ，滤波器两边的引出线是50欧姆的微带线，其宽度可利用ADS 自带的LineCale 工具计算得出。

设计过程主要以滤波器的S 参数作为优化目标进行优化仿真，选取了四个优化目标，其中21
S
可用来优化通带、阻带的衰减，优化参数11
S 主要用来优化通带内的反射系数，设计时用变
量代替各耦合单元的结构参数，最后用随机法进行全局优化。

图3 耦合微带线带通滤波器优化原理图
其中微带线的初始尺寸可由ADS自带的LineCale计算工具得到，并以此数据为初值进行优化，参数如表2所示。

n W(mm) S(mm) L(mm)
1，4 1.296 0.232 21.392
2，3 1.475 0.912 20.925
表2 微带线结构参数
2.3 仿真结果与分析
由原理图产生的仿真曲线初始不能满足指标要求，利用ADS 进行多次全局优化后，得到的仿真曲线如图2所示。

由图3可知，插入损耗S21曲线在1.7GHz、1.9GHz、2.1GHz和2.3GHz 处的数据都满足技术指标。

由图4可见，在滤波器通带内的群延时随频率变化很小，说明滤波器具有很好的群延时特性。

由图5可见，通带内滤波器的输入驻波比很小，满足设计要求。

图3 优化后滤波器的插入损耗和回波损耗
图5 滤波器的输入驻波比图4 群延时响应
2.4 版图的生成及矩量法仿真
微带滤波器实际电路的性能与原理图仿真的结果可能有很大的差别。

利用ADS软件的矩量法可以进行版图仿真，仿真后才能进行电路板的制作。

由原理图生成的版图如图6所示，利用矩量法仿真，得到的S参数变化曲线如图7所示。

版图仿真结果表明，其结果比原理图仿真更加准确(通带到阻带的过渡更加陡峭)，可将其作为对原理图设计的验证。

如果两者相差较大，必须回到原理图中重新调整微带线的结构参数并优化，直到版图仿真符合要求为止。

图6 原理图生成版图
图7 版图仿真曲线
3 结论
本文介绍了基于ADS设计耦合微带线带通滤波器的方法，传统设计方法因为需要查表及曲线拟合来完成，工作量大，而且设计精度不高。

文中通过利用ADS软件对平行耦合微带线带通滤波器进行优化仿真设计的实例，证明了该方法的可行性和便捷性。

简化了设计，提高精度，降低成本。

对高性能滤波器的设计具有重要的实用价值。

参考文献
[1] Reinhold Ludwing and Pavel Bretchko, RF Circuit Design: Theory and Applications,
Publishing House of Electronics Industry, 2010.
[2] David M. Poar, Microwave Engineering Third Edition, publishing House of
Electronics Industry, 2010.
[3] 冯新宇，车向前，穆秀春. ADS2009射频电路设计与仿真. 电子工业出版社, 2010.
[4] 马涛，柴常春.一种利用ADS设计微带带通滤波器的新方法.技术前沿，第八卷第十期，
2006.。