基于ADS的微波带通滤波器的研究与设计

张 琴，李海华，程 骏，柳秀山*

(1.广东技术师范学院，广州510665;2.华南农业大学图书馆，广州510640)

基于ADS的微波带通滤波器的研究与设计

张 琴1，李海华2，程 骏1，柳秀山1*

(1.广东技术师范学院，广州510665;2.华南农业大学图书馆，广州510640)

基于ADS2009微波仿真设计系统，设计出一款适合于S波段的微波带通滤波器，本设计使用了宽带匹配技术，结合微带线和集总元件设计出宽带的匹配网络。滤波器适用频率范围:2.3 GHz～2.5 GHz，可用带宽WB=200 MHz，带内纹波小于0.5 dB，带内插损lI＜1 dB。实物测试结果表明，滤波器的性能参数与仿真结果高度接近，说明ADS微波仿真系统具有较高的仿真精度和较好的的实际应用价值。

微波;滤波器;仿真;耦合;ADS系统

微波带通滤波器广泛应用于现代无线通信系统的诸多方面，对微波射频系统的通信质量起着至关重要的作用。尤其是在混频通信单元中，带通滤波器承担着滤除高频交调分量、选择有用信号、抑制杂散辐射的作用，直接决定了混频系统输出信号的频谱纯度［1］。因此，微波滤波器的研究与设计，一直是无线射频通信领域的一项重要技术内容。

1 平行耦合微带线滤波器的设计与分析

1.1 平行耦合微带线滤波器的原理与结构

两根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，这种传输线称为耦合传输线［2］。当传输线的长度等于传输信号波长的1/4时，这种耦合传输线具有一定的带通幅频特性，称为平行耦合微带传输线。

平行耦合微带传输线可以构建多种类型的滤波器，这些滤波器的相对带宽通常不超过20%［3］。微波带通平行线耦合滤波器由N+1段耦合微带线单元构成，而每一段耦合线又可等效为一种复杂的谐振电路结构，具有奇模与偶模的电路特性［4-5］。Z0o与Z0e分别为耦合线的奇模与偶模特性阻抗，可由式(1)确定［6］:

式(1)中，WB表示带通滤波器的相对归一化带宽，此数值必须精确计算，它决定了滤波器的通带阻带等多项滤波性能，可由式(2)确定［7］:

1.2 滤波器低通数学模型计算

一款实用的微波带通滤波器设计要求如下:中心频率ω0=2.4 GHz，相对带宽WBω=8%，带内波纹为0.5 dB，输入驻波比ρ1＜1.5，输出驻波比ρ2＜ 1.5;在ω0=2.9 GHz时，插入损耗lI＞25 dB，微带线接头特性阻抗Z0为50Ω。

要设计出以上的滤波器，根据滤波器低通原型理论，首先应选择N=3的切比雪夫低通滤波器原型，该原型满足插入损耗lI＞35 dB的性能要求。当切比雪夫低通滤波器原型N=3时，查询切比雪夫原型系数表，得到基本滤波系数为:g0=1，g1=1.596 3，g2= 1.096 7，g3=1;将滤波器原型系数代入式(1)，计算出滤波器的奇模偶模特性阻抗，数值如表1所示。

表1 平行线带通滤波器奇偶模系数表

1.3 滤波器PCB版图设计

根据滤波器的奇偶模特性阻抗值，选定PCB电路板材参数如下:基板厚度h=1 mm，电路基板材质为FR-4，相对介电常数为4.5，相对磁导率Mur为1，电导率COND=5.88×107，金属层厚度为1 mil。

由于滤波器电路板实物的高频特性参数计算过程非常复杂，为提高设计精度，必须首先对电路结构进行微波级仿真。我们采用专业的高性能微波设计仿真软件ADS2009进行微波带通滤波器的仿真与设计，使用ADS中的计算工具LineCalc可以计算出微带线的宽度W、间距S和长度L，由此可得到滤波器的各段耦合线物理尺寸参数，数值如表2所示。

表2 平行线带通滤波器微带参数表

根据表2的计算结果，利用ADS原理图工具可设计出的平行耦合微带线滤波器的具体电路原理图，如图1所示。启用ADS的微波仿真功能，对该原理图进行微波级仿真，得到仿真结果见图2所示。

图1 平行耦合微带线滤波器原理图

图2 平行耦合微带线滤波器仿真曲线

由图2的仿真结果可知，该电路结构已经能够实现S波段的带通滤波器功能，但实际性能与设计目标相差较大，主要体现在两个方面:(1)中心频率偏差较大，图2的曲线中心频率为2 300 MHz左右，相比设计目标频率值偏低;(2)反射系数S11的数值较大，达到-10 dB左右，说明滤波器的输入输出阻抗不匹配。

为了改善滤波器性能，需启动ADS的性能优化模块，即调用OPTIM控件，优化滤波器的幅频性能。ADS微波仿真软件将启动优化程序，对目标电路采取多次逼近的数学算法，以改进电路结构。优化后，滤波器仿真性能结果见图3所示。

图3 平行耦合滤波器优化曲线

根据图3中的ADS仿真结果可知，滤波器各项参数已经达到设计要求，平行耦合微带线滤波器原理图初步设计完毕，由此设计出的电路板版图如图4所示。

图4 平行耦合滤波器PCB版图

2 微带线滤波器的改进

实际的微波带通滤波器可采用多种不同的几何形式，不同形式的滤波器往往存在着各自的缺陷［8］。上节设计的平行耦合线滤波器由于各平行耦合单元在同一个方向上级联，故尺寸较大。在现代微波电路设计中，电路板尺寸有微型化的趋势，因此，大尺寸结构的滤波器，并不能很好地满足实际的需求，有必要对其进行改进。

发夹型谐振带通滤波器通过适当的拓扑结构实现对平行线耦合滤波器的改进，一方面，它是半波长耦合微带线滤波器的一种改良结构，结构紧凑，易于集成、尺寸较小;另一方面，其耦合线终端开路，无需过孔接地，消除了过地孔引入的误差［9］。因此，它具有更好的射频通带性能，在微波平面电路的设计中有着良好的应用前景。

2.1 发夹型带通滤波器设计原理

根据平行耦合微带滤波器的设计原理，如果我们将相互平行的四段耦合微带线并排放置，而不是级联放置，就得到了发夹型带通滤波器的几何结构雏形。如果在每段耦合微带线之间加上一段射频弯型接头作为耦合部件，就构成了最基本的微波发夹型带通滤波器。每段平行耦合线的作用是级间带通滤波，每段弯型接头的作用是级间信号耦合。理想情况下，在带通范围内，弯头部分微带线的S21=1，即信号无反射，无损耗。按此思路设计出的发夹型微波带通滤波器的原理图见图5所示。

图5 发夹式微带带通滤波器原理图

对改进型发夹式滤波器原理图进行仿真，并进行参数优化，可以得到滤波器的射频仿真数据。根据仿真结果，启动ADS的LayOut电路版图设计功能，可计算出发夹式滤波器的印刷电路板(PCB)版图结构，结果如图6所示。而图7给出了该PCB版图的仿真结果，版图仿真结果显示:在2.3 GHz～2.5 GHz范围内，电路的正向传输系数S21＞-0.2 dB，回波损耗S11＜-30 dB输入驻波比ρ1＜1.1，输出驻波比ρ2＜1.2，在F=2.9 GHz时，插入损耗lI＜-28 dB，全部指标达到设计要求。至此，发夹型微波带通线滤波器的仿真设计已经完成。

图6 发夹式滤波器PCB版图

图7 发夹式滤波器仿真曲线

2.2 发夹型带通滤波器实测结果

下面的工作就是将ADS生成的标准PCB版图制成实际工业成品，并实测调试。滤波器的PCB电路板实物见图8所示，图9给出了该电路板的实测曲线。实测结果显示:在2.3 GHz～2.5 GHz范围内，滤波器的正向传输系数S21＞-0.3 dB，回波损耗S11＜-28 dB输入驻波比ρ1＜1.2，输出驻波比ρ2＜1.2，F=2.9 GHz时，插入损耗lI＜-31 dB，全部指标达到设计要求，发夹式微波带通滤波器的实物成品设计完成。

图8 发夹式滤波器实物图

图9 发夹式滤波器实测曲线

3 结论

本文设计了一款结构紧凑的发夹式微波带通滤波器，滤波器的纹波特性平缓，具有良好的带通传输特性和深度带外信号抑制能力，可以满足无线蓝牙、WIFI，Zigbee等多种S波段无线射频设备的应用要求。实物测试结果表明，滤波器的实际性能与ADS仿真结果非常接近，两者的实测频谱曲线大致相同。说明，ADS微波仿真系统对于无源微波射频器件的仿真，具有比较高的精度和准确率，是一种良好的辅助设计工具。

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Design of M icrowave Bandpass Filter Based on ADS

ZHANGQin1，LIHaihua2，CHENG Jun1，LIU Xiushan1*
(1.Guang Dong Polytechnic Normal University，Guangzhou 510665，China;2.Library of South China Agriculture University，Guangzhou 510640，China)

A bandpass filter was designed for the S-band frequency by using the ADS2009 simulation system.In order to get a wider bandwidth，a broadband matching network was presented，which is composed by both microstrip lines and lumped elements.For this filter，the operating frequency range is 2.3 GHz-2.5 GHz，with a 200 MHz relative bandwidth.The test results show that，the simulation parameters are highly closed to the real characters.It can be concluded that the ADS system really has a good simulation performance，aswell as some practical application values.

microwave;filter;simulation;coupling;ADS system

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.011

TN722.3 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0042-04

2013-05-11修改日期:2013-05-28

EEACC:1270

张 琴(1976-)，女，湖北兴山人，广东技术师范学院，工程师，研究方向为电子及通信工程;

程 骏(1980-)，男，汉族，湖北黄石人，广东技术师范学院，讲师，研究方向为电子及通信工程，stuff_man@163.com。

李海华(1980-)，女，汉族，广东茂名人，华南农业大学图书馆馆员，研究方向为信息资源管理;