平行耦合微带线带通滤波器分析与设计

刘新红

(北京信息职业技术学院，北京100015)



平行耦合微带线带通滤波器分析与设计

刘新红

(北京信息职业技术学院，北京100015)

摘要为了克服平行耦合微带线带通滤波器设计中存在的尺寸大、需要查表、优化困难等问题，提出了一种平行耦合微带线带通滤波器基于ADS软件的设计方法。经过深入的理论分析发现，平行耦合线带通滤波器系统阻抗微带线非谐振单元，长度可尽量取短以减小电路尺寸；利用ADS软件自带滤波器设计工具可得到低通滤波器原型，省去了查表的麻烦；在版图优化上采用调谐方法比优化方法更有效。仿真结果表明，所设计带通滤波器系统阻抗微带线为2.5 mm，中心频率5 GHz，相对带宽10%。该方法在减小滤波器尺寸的同时没有降低滤波器性能，设计实现快速高效。

关键词平行耦合微带线；带通滤波器；谐振器；插入损耗；回波损耗；ADS仿真

Analysis and Design of Parallel Coupled Microstrip Line Bandpass Filter

LIU Xin-hong

(DepartmentofElectronicEnginerring,BeijingInformationTechnologyCollege,Beijing100015,China)

AbstractIn view of large size,table checking required and difficult optimization in the design of parallel coupled microstrip line bandpass filter,a design method of parallel coupled microstrip line bandpass filter based on ADS is proposed.Based on thorough theoretical analysis,it is found that the parallel coupled microstrip line bandpass filter system impedance microstrip line is not resonant,so the length can be as short as possible to reduce the circuit size.A prototype of a lowpass filter is obtained by using ADS software,eliminating the trouble of the look-up table;In the layout optimization,the tuning method is more effective than the optimization method.The simulation results show that the system impedance microstrip line is 2.5 mm long,the center frequency is 5 GHz,and the relative bandwidth is 10%.This method can reduce the size of filter and not reduce the performance of the filter.The design and implementation of this method is fast and efficient.

Key wordsparallel coupled microstrip line;bandpass filter;resonator;insertion loss;return loss;ADS simulation

0引言

平行耦合微带线滤波器广泛应用于微波、无线通信射频前端和终端已有数十年。这种滤波器的主要优势是综合过程容易[1]、重复性好、相对带宽大等[2]。

已有关于平行耦合微带线带通滤波器的设计原理与设计公式，文献[3-9]是直接使用公式，文献[10-12]推导比较复杂；文献[3-7]中50 Ω系统阻抗微带线采用了不必要的90°相移，增大了电路尺寸；文献[3]中版图优化采用原理图的优化方法，优化成功困难。

针对已有的研究成果，在理论分析中，对平行耦合微带线电路特性的分析采用二端口的分析方法，低通滤波器原型到采用J变换器的低通滤波器变换中J值的求取，采用从源端向负载端看或从负载端向源端看，从而易于求出J值。设计了一个中心频率5 GHz、相对带宽10%的滤波器，全部用ADS软件完成，用ADS的滤波器设计工具得到低通滤波器原型；分析发现50 Ω系统阻抗微带线与长度无关，设计时系统阻抗微带线采用0.25 mm线长，有效减小电路尺寸；在版图优化上选用调谐方法，易于实现版图优化。

1平行耦合微带线带通滤波器分析

1.1平行耦合微带线特性参数

文献[10-11]中用四端口进行了分析，本文简化为二端口分析。平行耦合微带线通常用奇偶模分析，如图1所示。

图1　平行耦合微带线奇偶模

(1)

(2)

(3)

(4)

于是，端口1的电压U1为：

(5)

根据对称性得：

(6)

由式(5)、式(6)得出传输方程：

(7)

(8)

于是得到传输矩阵A为：

(9)

1.2平行耦合微带线等效电路

电长度为θ的平行耦合微带线的等效电路为J转换器两边各接一段电长度为θ的传输线。

其传输矩阵A为：

(10)

式(9)、式(10)A矩阵相等得：

(11)

(12)

θ=90°时，

(13)

(14)

由式(13)、式(14)可解出：

(15)

(16)

下面需要求出J，用采用J变换器的低通滤波器频率变换得到带通滤波器求得。

1.3采用J变换器的低通滤波器

文献[12]对采用K变换器的低通滤波器的K值用n阶低通滤波器进行推导，看起来不够直观而且每一节等效电路都从源端向负载端看得到，等效电路不易得出。为此本文以3阶低通滤波器为例进行采用J变换器的n阶低通滤波器的J值推导。

图2　3阶低通滤波器原型

在低通滤波器原型2个相邻元件间插入J变换器得到图3所示的采用J变换器的低通滤波器。

图3　采用J变换器的3阶低通滤波器

为了得到J变换器的J值，以求J12为例，将图4所示两电路等效单元电路进行比较，由于两电路有对偶关系，低通原型输出端短路，加入J变换器后变为断路。

图4　变换前后等效单元电路

两电路等效需要输入导纳成比例，它们分别是：

(17)

(18)

(19)

(20)

同理，可推出其他单元的J值，为了简便，每个对应节以从源端向负载端看或从负载端向源端看哪种情况便于得出等效关系，就采用哪种等效关系。推广到n阶低通滤波器可得：

(21)

1.4采用J变换器的带通滤波器

将图3所示的低通滤波器中的电容变成电感、电容并联的谐振电路就得到了带通滤波器，如图5所示。

图5　采用J变换器的带通滤波器

根据低通到带通的频率变换得：

(22)

(23)

并联谐振回路的导纳为：

(24)

电纳斜率为：

(25)

于是

Cak=BWω0Cpk=BWbk。

(26)

代入式(21)得：

(27)

由J转换器两边各接一段电长度为θ的传输线等效电路组成的带通滤波器用分布元件电长度为2θ的开路传输线代替图5集中参数Cpk、Lpk组成的并联谐振器，其阻抗为：

(28)

于是导纳为：

(29)

(30)

带入式(27)得：

(31)

2平行耦合微带线带通滤波器设计

2.1参数计算

带通滤波器的中心频率5 GHz，相对带宽10%，带内衰减(插入损耗)小于3 dB，频率大于5.5 GHz和小于4.5 GHz衰减大于30 dB。通带内端口反射系数(回波损耗)小于-10 dB，输入、输出特性阻抗50 Ω。

计算低通原型参数，低通和带通频率关系为：

当f=4.75 GHz,或f=5.25 GHz时，

当f=5.5 GHz时，

当f=4.5 GHz时，

阻带频率取f′绝对值的大值f′=0.336 Hz，阻带衰减应不小于30 dB。

获得低通滤波器原型不需要麻烦地查表，在ADS中利用滤波器设计工具可方便得到。

在ADS软件中利用滤波器设计工具，用切比雪夫滤波器实现，使fp=0.159 Hz,fs=0.336 Hz,Ap=0.5 dB,As=30 dB,可得图6所示低通滤波器参数g0=g6=1,g1=g5=1.707 5,g2=g4=1.230 8,g3=2.543 4。

图6　低通滤波器原型

利用式(31)计算J值为：

利用式(15)和式(16)计算奇偶模阻抗为：

微带线参数设置，微带线基板相对介电常数Er=4.300，基板厚度H=1.000 mm，封装高度Hu=1×1033mm，微带线导体的电导率Cond=5.88×107mm，导体厚度T=0.030 mm，损耗角正切TanD=3.000×10-4。

用ADS微带线计算工具由平行耦合微带线的奇偶模阻抗和相移计算出导体带宽度、间隔和长度。

微带线尺寸的计算结果如表1所示，50 Ω系统阻抗不需要电长度θ=90°，它不是谐振单元，只有阻抗影响滤波器的性能，长度不影响，在考虑电路制作方便的前提下尽量选小以减小电路尺寸，本设计选2.5 mm，宽度计算结果1.916 580 mm。

表1　微带线尺寸

2.2原理图仿真与优化

带通滤波器原理图如图7所示。

图7　带通滤波器原理

用计算出的尺寸仿真结果如图8所示。从图8(a)可以看出，除带宽符合指标要求外，其他的如中心频率、带内衰减S21和端口反射系数S11等均不符合要求。利用ADS的优化功能，以S21、S11为优化目标，以微带线尺寸宽度W、间隔S和长度L为变量，由于对称，这样的参数有3组，W1、S1、L1，W2、S2、L2，W3、S3、L3。默认的优化方法是随机(Random)，先用随机进行大范围扫描，再用梯度(Gradient)进行局部收敛扫描。原理图优化是容易实现的，图8(b)是优化后的频率响应曲线，通带为4.75~5.25 GHz带外衰减大于30 dB，带内回波损耗接近大于-30 dB，各项指标符合要求。

图8　原理图优化前后滤波器频率响应曲线

2.3版图仿真与优化

原理图优化后生成版图，但版图仿真结果并不符合指标要求，说明版图和原理图是有差别的，而版图更接近实际电路，因此需要对版图优化，使其符合指标要求。ADS优化是针对原理图，因此用优化工具实现版图优化是困难的，用调谐功能较容易实现版图优化。因为调谐时改变参数后的频率响应曲线的改变直观可见，可以控制参数改变向优化目标靠近。L2、L3、W3对中心频率有明显影响，增大则频率降低，S1、S2、S3明显影响带宽，减小则增大带宽，W1、W2、L1对频率影响不明显。调谐优化后的频率响应曲线如图9所示。

从图9中可以看出各项指标满足设计要求，此时W1=0.88 mm，S1=0.248 mm，L1=8.45 mm；W2=0.992 mm，S2=1.077 mm，L2=8.25 mm；W3=1.37 mm，S3=1.272 mm，L3=8.1 mm。优化后的滤波器版图如图10所示。

图9　版图优化后滤波器频率响应曲线

图10　优化后滤波器版图

对比图8(b)和图9，版图仿真结果在回波损耗上明显不及原理图，而原理图仿真结果并不能实用，说明实际上平行耦合微带线带通滤波器的回波损耗比较大，只能达到负十几分贝。

从设计仿真结果看50 Ω系统阻抗微带线非谐振单元，不需要电长度θ=90°，可减小电路尺寸。ADS软件的优化功能是针对电路图的，在版图优化时有效的方法是调谐。

3结束语

详细分析并推导了平行耦合微带线滤波器的原理和设计公式。在此基础上，利用ADS软件设计了一个中心频率为5 GHz、相对带宽10%的带通滤波器。理论计算和最终可用的版图参数有较大差别，需要进行优化使版图达到设计要求。

提出了一种平行耦合微带线的设计方法，其优越性在于能减小滤波器尺寸，而且仿真实现能快速高效，有参考利用价值。回波损耗不够低是平行耦合微带线滤波器设计中需要深入研究的问题。

参考文献

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刘新红女，(1971—)，硕士，讲师。主要研究方向：通信电路与系统。

作者简介

中图分类号TN713.5

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)02-0052-06

收稿日期：2015-11-16

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.13

引用格式：刘新红.平行耦合微带线带通滤波器分析与设计[J].无线电工程,2016,46(2):52-57.