基于ADS简易设计及优化的平行耦合微带线带通滤波器

西华师范大学物理与电子信息学院 尹彩霞 刘小亚

基于ADS简易设计及优化的平行耦合微带线带通滤波器

西华师范大学物理与电子信息学院 尹彩霞 刘小亚

在平行耦合微带线带通滤波器的理论基础上，设计出平行耦合微带线带通滤波器的电路基本结构，并借助ADS（Advanced Design System）软件计算工具完成平行耦合微带线奇偶模的特性阻抗与尺寸之间的计算，以及如何设计并仿真平行耦合微带线带通滤波器的方法。最后基于ADS给出一个中心频率为2．2GHz的平行耦合微带线带通滤波器的设计实例，并进一步优化参数，得出仿真结果及电路版图。仿真结果表明此法满足设计要求。

平行耦合微带线；带通滤波器；ADS；优化；电路版图

随着无线通信的快速发展,现在对射频/微波电路的重视程度越来越大,而微波带通滤波器也得到了大力发展,而因而利用微带线来实现滤波器的技术越来越成熟。滤波器是用来分离不同频率信号的一种器件,主要功能是抑制不需要的信号,让需要的信号通过。微带线带通滤波器可工作在射频与微波频段,应用非常广泛。但滤波器的性能在微波电路系统中对电路的性能指标有很大的影响,固要设计出一个具有高性能的滤波器,对整个微波电路系统的设计都具有很大的意义。本文借助ADS软件能方便地对平行耦合微带线带通滤波器电路进行原理图设计、仿真及优化,最后生成版图。

1 平行耦合微带线带通滤波器设计基本原理［1］

平行耦合微带传输线是由两个无屏蔽的平行微带传输线紧靠在一起构成,当两个传输线之间的电磁场相互作用时,就会在传输线之间有功率耦合,这种传输线被称为耦合传输线。平行耦合微带传输线的中间部分是介质,在介质的下面为公共导体接地板,在介质的上面为两个宽度为W,相距为S的中心导体带。

每条微带线的特性阻抗为Z0,偶摸的特性阻抗为Z0e,奇模的特性阻抗为Z0o,平行耦合微带线可以构成带通滤波器,这种长平行耦合微带线单元,虽然具有典型的带通滤波器特性,但其不具有陡峭的通带-阻带过度。因此由多个耦合微带线单元级联,就可以构成具有良好的滤波特性而且又实用的滤波器。

2 平行耦合微带线带通滤波器设计

2.1 低通滤波器设计设计原型

根据带通滤波器频率变换和设计条件及查表,选择低通滤波器的归一化原型参量［2］。假设下边频为1,上边频为2,中心频率为0。根据滤波器参数计算归一化频率［3］：

查切比雪夫滤波器元件参数可得标准低通滤波器参数G1,G2...Gn,Gn+1。

2.2 计算耦合微带线各节耦模和奇模的特性阻抗

平行耦合微带线各节奇模特性阻抗Z0o和耦模特性阻抗Z0e为［1］：

其中：

Δ为带通滤波器的相对带宽。根据微带线的奇模、偶模特性阻抗,使用ADS中的微带线计算器LineCalc计算可得微带线的尺寸关系。

3 平行耦合微带线带通滤波器设计实例［1］

(1)设计指标如下：

中心频率为2.2GHz,通带频率范围为2.1GHz～2.3GHz,在通带内衰减小于1.5dB,在1.9GHz和2.5GHz时衰减大于20dB,输入输出特性阻抗为50Ω。

图2 优化原理图

(2)微带线电路板参数如下［5］：微带线的基板厚度选为1mm,基板的相对介电常数为2.7,相对磁导率Mur=1.0,金属层厚度T=0.05mm,损耗正切值TanD=0.

(3)根据平行耦合微带线带通滤波器设计要求,选用n=3,带内波纹小于0.5dB的切比雪夫低通滤波器原型。查表可得参数为：G1=1.5963,G2=1.0967,G3=1.5963。根据公式(1)(2)得阻抗值,如表1所示。

表1 奇偶模特性阻抗

利用ADS中的微带线计算器得平行耦合线的W、S、L,如表2所示。

表2 微带线尺寸

将上述结构尺寸导入ADS中,并设置微带电路板的参数和扫频参数,方可进行原理图仿真［5］。如图1为仿真结果。

从上述仿真结果图1中,可以看出S21曲线在1.9GHz处, S21=-24.889dB,在2.1GHz处,S21=-1.106dB,在2.3GHz处, S21=-9.872dB,在2.5GHz处,S21=-30.378dB。分析结果数据知,在阻带1.9GHz和2.5GHz处衰减大于20dB,满足设计要求,而在通带2.1GHz～2.3GHz内不满足衰减小于1.5dB的

图1 仿真结果

图3 优化仿真结果

技术指标。因此需要进一步优化,借助变量控件VAR,优化控件Optim,及3个目标控件Goal来进行优化。这里的3个Goal控件分别用来：优化通带内的S(2,1),优化低端阻带内的S(2,1)(在1.9GHz以下达到20dB衰减),优化高端阻带内的S(2,1)(在2.5GHz以上达到20dB衰减)。根据设计好的各控件的优化参数,就可以对其进行优化仿真了。优化原理图如图2所示,优化仿真结果如图3所示。

由优化后的S21曲线知,在通带2.1GHz～2.3GHz内满足衰减小于1.5dB的技术指标,达到设计目标。

(4)将优化后的原理图生成版图,如图4所示。

图4 带通滤波器原理图生成的版图

4 结论

本文在滤波器、微带线的基本原理理论基础上,由设计一个完整的平行耦合微带线带通滤波器的设计实例来阐述借助ADS软件工具怎样完成带通滤波器的设计方法。从得出的仿真结果中分析,此设计满足技术指标,因而可以看出利用ADS软件做滤波器的有点及效率。

[1]黄玉兰．射频电路理论与设计[M]．北京:人民邮电出版社,2008．10．

[2]清华大学《微带电路》编写组．微带电路[M]．北京:人民邮电出版社,1975．

[3]夏祖学．一种EBG微带滤波器的设计[J]．西南科技大学学报,2006,21(2):36-40．

[4]李琦威,郭陈江,张兴华．平行耦合微带线带通滤波器的设计与优化[J]．电子设计工程,2012,20(4):12-18．

[5]张福洪,张振强,马佳佳．基于ADS的平行耦合微带线带通滤波器的设计及优化[J]．电子器件,2010,33(4):434-437．

[6]徐兴福．ADS2008射频电路设计与仿真实例[M]．北京:电子工业出版社,2009．