基于ADS软件的微带线带通滤波器的设计

陈军

摘要：该文章讨论的是基于ADS软件的平行耦合微带线带通滤波器的设计过程。利用集总参数低通原型滤波器经过一系列转化可以得到微带线带通滤波器的特性，运用传输线原理和导纳变换公式获得带通滤波器的相关参数，并借助功能强大的ADS软件对微带线带通滤波器的原理图和版图进行设计制作。该软件只需要输入相应的原始数据，便可方便得到频率响应等相关特性。我们也可以借助ADS软件对其进行优化仿真，以得到更加优质的带通滤波器。

关键词：带通滤波器；微带线；传输线；ADS

1.引言

随着近年来无线通信技术的迅猛发展，微波滤波器已经成为作为辨别分离有用和无用资源的重要部件，并大量使用于通信系统领域，其性能的优越直接影响整个通信系统的质量。现代通信对微波滤波器的整体要求越来越高，以求得到更加微小化、轻量化、集成化的高性能低成本的滤波器。本文设计运用微带滤波器印刷电路的方法，可以满足尺寸小、成本低且性能稳定的要求，被广泛运用于无线通信系统中。目前在无线通信系统领域中，微波滤波器的种类日益增多，性能和设计方法各有差异。但总体来看，微波滤波器的设计大都采用从集总参数的低通原型滤波器出发经过一系列变换得到的。本章讨论的是平行耦合微带线带通滤波器的设计，它同样是基于集总参数低通原型滤波器出发，经过等效变换可以得到与带通滤波器相应的低通原型模型，再经过阻抗倒置变换或导纳变换便可以得到相应的带通滤波器的设计模型及相关参数。本文首先介绍微带线带通滤波器的设计原理，然后根据基本原理推导出滤波器的相关参数，再运用ADS软件进行制作、优化和仿真，最后将完整的设计图纸和相关参数拿到工厂加工制成成品。为了验证该微带线带通滤波器的设计和仿真的正确性，本文采用网络分析仪对该滤波器进行了相关测试，测试结果和仿真效果相吻合。

2.微带线带通滤波器的设计原理及设计过程

根据滤波器综合理论，低通原型滤波器是设计其他滤波器的基础。本文设计的带通滤波器同样是在低通原型滤波器的基础上经过变换得到的。图1展示的是集总参数低通原型滤波器到集总参数带通滤波器的变换过程。该图说明根据带通滤波器的频率特性而言，（在通带内）串联臂应采用串联谐振为低阻抗，并联臂应采用并联谐振为高阻抗。而微带线带通滤波器的设计也是在上述变换原理的基础上扩展得到的。一般来说，与微波带通滤波器相应的低通原型有两种模型。一种是电感输入式电路，经变换后为含阻抗K的变换器，另一种是电容式输入电路，经变换后为含导纳J的变换器。

该两种电路互为对偶，衰减特性相同，且都可以转换成等效的带通滤波器。本文设计采用电容式输

入电路，运用导纳倒置变换原理来完成设计。由于阻抗倒置变换和导纳倒置变换的变换原理相似，

图1低通滤波器到带通滤波器的转换

因此本文只对导纳倒置变换原理进行详述。

当平行耦合微带线的长度为l=λ/4时，有带通滤波的特性，但其不能提供陡峭的通带到阻带过渡，但将多个耦合微带线单元级连后便可以具有良好的滤波特性。设计这种微带线带通滤波器最为关键的一步就是把上述的低通原型用K或J变换器变换为变形低通，再运用阻抗倒置或导纳倒置变换得出最后的变换形式。由于本文设计选用的是导纳倒置变换，所以下面介绍导纳倒置变换的具体变换过程。设计步骤的前两步就是确定中各元件的归一化值，并选定电容式输入电路。第3步经过变换得图2（a），它表示含有导纳倒置变换器的变形低通原型。图2（b）表示从图2（a）导出的带通滤波器，图2（c）表示用电纳斜率参量表示的微波带通滤波器。即到图2（c）就是从含低通原型到含J微波带通滤波器的变换的全过程。经过上述变换，我们可以得出含导纳倒置变换器J的微波带通滤波器的

图2（a）含有导纳倒置变换器的变形低通原型

图2（b）从图2（a）导出的带通滤波器

图2（c）用电纳斜率参量表示的微波带通滤波器

实用公式为电纳斜率：

根据上述公式可以计算出耦合微带线各节奇偶模的特性阻抗，根据奇偶模的特性阻抗，运用ADS软件可以确定微带线带通滤波器每节微带线的尺寸关系。

下面讲述的是本文运用导纳倒置变换原理并结合ADS软件来设计一个平行耦合微带线带通滤波器的具体过程。该平行耦合微带线带通滤波器的设计指标如下：

平行耦合微带线带通滤波器要求3阶，带内波纹为0.5dB，系统特性阻抗为50Ω。

带通滤波器的中心频率为2.1GHZ，带宽为10%，通带频率范围为2.0GHZ～2.2GHZ。

通带内衰减小于1.5dB，在1.8GHZ和2.4GHZ时衰减大于20dB。

微带线基板的厚度1mm，基板的相对介电常数选为2.7。

设计平行耦合微带线带通滤波器的步骤如下：

（1）计算低通滤波器原型参数。本设计要求3阶，带内波纹为0.5dB，根据查表得出切比雪夫低通滤波器原型参数为：g0=g4=1，g1=g3=1.5963，g2=1.0967。

（2）计算各节奇偶模的特性阻抗，该滤波器需要4节耦合微带线级连

（3）计算各耦合线节的奇偶模特性阻抗

（4）根据上述计算出的奇偶模特性阻抗和相移以及设计指标中的各项参数，运用ADS软件可以得到该平行耦合微带线带通滤波器各节的尺寸大小，如表1

表1计算微带线的尺寸

（5）运用ADS软件画出原理图并进行仿真后得出S21曲线在18GHz、20GHz、22GHz和24GHz处的值如下：

·在18GHz处，S21的值为-26078dB。

·在20GHz处，S21的值为-08450dB。

·在22GHz处，S21的值为-89030dB。

·在24GHz处，S21的值为-30538dB。

以上数据显示在阻带18GHz和24GHz处满足技术指标，在通带处不满足技术指标，需要对原理图

进行调整优化。优化后的原理图如图3所示，由图3我们可以看出，S21曲线在18GHz、20GHz、22GHz和24GHz处的值如下：

·在18GHz处，S21的值为-26546dB。

·在20GHz处，S21的值为-09420dB。

·在22GHz处，S21的值为-07840dB。

·在24GHz处，S21的值为-22289dB。

进行优化后，以上数据满足技术指标，该原理图符合本次微带线带通滤波器的设计要求。

图3带通滤波器原理图优化数据

（6）下面由平行耦合微带线带通滤波器的原理图生成版图，并对版图进行仿真。图4是由平行耦合微带线带通滤波器原理图生成的版图。对比上述原理图可以发现，原理图中构成滤波器电路的各种微带线元件模型在版图中已经转化成实际的微带线。以下数据是平行耦合微带线带通滤波器版

图4由平行耦合微带线带通滤波器原理图生成的版图

图的仿真数据，通过仿真数据可以得出，S21曲线在18GHz、20GHz、22GHz和24GHz处的值如下：

·在18GHz处，S21的值为-28546dB。

·在20GHz处，S21的值为-08870dB。

·在22GHz处，S21的值为-12160dB。

·在24GHz处，S21的值为-22147dB。

版图的仿真数据与原理图的仿真数据有一些差异，这是由于版图的仿真方法与原理图的仿真方法不同。但是版图的仿真数据同样满足设计指标。至此，本文的平行耦合微带线带通滤波器的设计过程完毕，最后将上述得到的版图与相关数据送往工厂进行加工便可制成最终成品。

3.结论

本文主要讨论的是平行耦合微带线带通滤波器的设计过程。根据设计要求，首先计算低通原型

滤波器的参数，并运用导纳倒置变换得出相应的带通滤波器的设计参数，通过计算得出每节滤波器的奇偶模和尺寸大小。然后运用ADS软件设计原理图并对其进行优化仿真，最后进行版图的设计与仿真。经验证，得出的数据符合本次平行耦合微带线带通滤波器的设计要求。这种平行耦合微带线带通滤波器的设计方法具有简单、高效和精确等特点。本文设计的微带线带通滤波器用印刷电路的制作方法，可以满足尺寸小、成本低且性能稳定等要求，被广泛运用于无线通信系统中。（作者单位：西华师范大学物理与电子信息学院）

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