微带抽头线发夹型带通滤波器的设计及优化*

在射频通信系统中，无论是发射机还是接收机都需要选择特定频率的信号进行处理，滤除其他频率的干扰信号。在射频通信系统中，通常都需要使用滤波电路用来分离有用的信号。因此，滤波器［1-2］的性能和可靠性在系统中至关重要。根据信号频率的高低分别选择不同的参数分布电路，在较低的射频信号时，可以采用集总参数滤波电路。当射频信号频率较高时，采用分布参数电路来实现滤波电路。而使用微带线可以方便地构造分布参数的滤波电路。微带发夹型带通滤波器在微波集成电路中应用广泛。

1 滤波器的基本原理

1.1 发夹型带通滤波器［3］

微带发夹型带通滤波器是是一种分布参数滤波器，它由若干个发夹型谐振器并排排列耦合而成。它是一种结构紧凑、终端开路无需通过过孔接地的滤波器。这种滤波器可以通过平行线耦合或者半波长耦合谐振器折合成“U”字形成。它的信号输入输出方式有两种:抽头式和平行耦合式，本文采用抽头方式输入输出。滤波器的性能主要由发夹臂长、发夹间距、发夹线宽、和抽头位置等决定。

1.2 滤波器各参数的设计［4-6］

为了设计一个符合特殊要求的带通滤波器结构，需要进行大量的数据计算。要将全部设计要求转换成实际的滤波器设计，需要按以下步骤进行:

(1)选择标准的低通滤波器参数。利用带通滤波器的频率转换公式，确定归一化频率。根据需要的衰减和波纹，选定采用巴特沃斯或切比雪夫设计方法，确定滤波器的阶数和合适的标准低通滤波器参数g1，g2，…，gN，gN+1。

频率转换公式:

归一化带宽

(2)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:

对于抽头位置l，可估算为:

式中，R为源内阻;L=λg/4;滤波器发夹臂长为λg/4;为滤波器中心频率的自由传播波长，有效介电常数为:

式中，εre为基片的相对介电常数;h为基片厚度;w为微带线线宽。

(3)根据微带线的偶模、奇膜阻抗，按照给定的微带线路板的参数，借助ADS自带的传输线LineCalc计算工具，计算得到每级微带线的几何尺寸W，S，L。

2 微带发夹型带通滤波器的设计实例［7-8］

设计目标:中心频率f0=4.8 GHz，带宽200 MHz，在f=5.0 GHz及4.6 GHz上减不小于20 dB，通带波纹3 dB，输入输出特性阻抗为50 Ω。在4.8 GHz时的仿真参数为:介电常数εr=3.6，基板厚度h=10 mil，损耗正切角tanD=0，相对磁导率Mur=1。

通过频率变换公式计算得到归一化中心频率为1.96 GHz获得20 dB衰减，滤波器的阶数至少为3。为了能更好的达到滤波器的指标特性，本文采用滤波器的阶数为5，根据表1得到，具有3 dB波纹的5阶切比雪夫滤波器的元件参数为:

表1 切比雪夫滤波器原件参数(3 dB波纹，N=1，2，3，…，8)

图1 ADS Linecalc模块

下面根据式(3)，计算出各阶耦合微带线的奇偶模阻抗，并利用ADS自带的传输线LineCalc计算工具，如图1所示。

计算得到每级微带线的几何尺寸W，S，L。如表2所示。

表2 各阶耦合微带线参数列表

由式(4)计算出，滤波器的抽头位置约为1.1 mm，并将抽头位置和表2中的结构尺寸输入ADS中相对应的耦合微带线处，并设置微带电路板的参数和S参数的频率扫描范围，步进长度，然后进行原理图仿真。图2是理论计算值的仿真原理图，图3是仿真结果。

图2 微带线发夹型带通滤波器设计原理图

图3 传输、反射系数仿真曲线图

经过分析仿真结果可以发现出现了基本的滤波器形状，但是中心频率点偏移非常严重，离设计目标还有一定的距离，因此需要对其进行优化。利用ADS中Optim控件和目标控件Goal，设置优化目标，然后进行仿真得到优化结果，从结果中可以发现我们越来越接近目标。待仿真结束后，我们利用手动调谐一边调节参数，一边观察结果，最终得到想要的结果。图4为优化原理图，图5是优化后生成的仿真结果，由图5中可以看出，在通带内波动很小，而在4.6 GHz处和5.0 GHz处只能达到20 dB的衰减，而在4.5 GHz左右能达到40 dB的衰减，这是该滤波器的内部结构决定的。

ADS版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算，其结果更接近实际，更具有意义。

图4 微带线发夹型带通滤波器优化原理图

图5 优化后的S参数曲线图

下面我们利用对版图进行仿真，首先我们要生成版图(图6)，由优化后的原理图生成的版图，根据版图再次调节优化原理图，得到形状更加完美的版图，最终我们得到的发夹宽度大小约为25 mm左右。

图6 微带发夹型滤波器版图

接着我们对电路版图进行矩量法Momentum仿真，仿真结果如图7。

由图7可以看出版图仿真得到的曲线接近指标要求。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7 微带发夹型带通滤波器版图仿真曲线

3 结论

本文从耦合微带线的基本理论出发，详细地介绍了一种利用ADS来进行微带发夹型带通滤波器的设计方法，首先根据设计原理设计出滤波器的参数初值，然后设计并优化出达到预期的微带发夹型带通滤波器。从本次的设计和优化，可以看出，滤波器的指标性能与其内部结构息息相关。

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