平行耦合滤波器的仿真设计研究

黄佳晖 李鑫杰

摘要：滤波器在通信系统中有着广泛的应用。平行耦合滤波器作为滤波电路的一种，有着轻便、性能稳定等诸多优势。本文介绍了一种平行耦合滤波器的设计方法，简要说明了相关的理论基础，结合设计方法给出实例。此外，还就电容对滤波特性的影响进行了讨论，并总结了一些规律。

关键词：平行耦合；滤波器；带通；电容

滤波器对不同频率信号有选择性，允许特定频率范围的信号通过，阻止其他频率信号。[1]本文采用平行耦合结构设计微带带通滤波器，在接入电容后，通过ADS软件仿真，对滤波器的滤波特性进行观察总结。

一、滤波器的理论基础与设计方法

（一）理论基础

考虑一个双端口滤波器，采用工作衰减LA来描绘其输入输出特性。

LA=10lgPin[]PLdB

Pin和PL分別为负载匹配时的输入功率和负载吸收功率。显然LA应该随着频率变化而变化。理想情况的LA在特定频率内衰减0dB，特定频率外衰减为无穷。事实上，理想的滤波特性不存在，工程中使用数学多项式来逼近理想滤波特性。根据多项式的类型分为巴特沃斯、切比雪夫、椭圆函数、高斯多项式几种。平行耦合相当于谐振电路，可带通滤波。

（二）设计方法

滤波器设计的经典方法是低通原型综合法，先根据指标选择低通原型，再频率变换，最后用微波结构实现。

本文以巴特沃斯型带通滤波器为例。LAr是通带内最大的衰减，Ω是归一化后的频率，Ω≥1表示阻带，Ω≤1表示通带，巴特沃斯响应的传输函数为：

LA=10lg[1+ε（2Ω2n）]（dB）

ε=10LAr[]101

n是電抗元件数，由截止衰减LAs和归一化截止频率Ωs的不等式[2]给出：

n≥lg（100.1LAs-1）[]2lgΩs（1）

巴特沃斯的低通原型结构中各元件值则可以查表获得。

在已知低通原型结构后，需要把低通原型中的元件用谐振电路的元件代替。谐振电路中含有多种电抗元件，为了方便计算阻抗，常用倒置变换器将电抗元件统一表示为电容或电感。倒置变换器的导纳与频率、通带有关。可以证明，倒置变换的计算公式[3]为：

J01[]Y0=πFBW[]2Ω0g0g1（2）

Jk，k+1[]Y0=πFBW[]2Ω01[]gkgk+1（3）

Jn，n+1[]Y0=πFBW[]2Ω0gngn+1（4）

其中k=1，2……n1，FBW是通带宽度，Ω0是中心频率。

倒置变换后的电路可以计算各耦合线节奇偶模阻抗[3]：

（Z00）s=1[]Y01-Js-1，s[]Y0+（Js-1，s[]Y0）2（5）

（Z0e）s=1[]Y01+Js-1，s[]Y0+（Js-1，s[]Y0）2（6）

s=1，2……n+1

只要给定板材，就可以根据奇偶模阻抗计算出各段微带线线长和线宽，目前安捷伦公司的ADS仿真软件可以快速准确地完成计算工作。

二、滤波器的初步设计

设计指标：中心频率3.5GHz，带宽0.8GHz，在2.7GHz上衰减不少于20dB，特性阻抗均为50Ω，板材介电常数Er=2.7，介质基片厚度H=1mm，金属片厚度T=0.05mm。

根据公式1可以估计到滤波器阶数为7，计算可得低通原型元件值，套用公式2、3、4、5、6可得各段耦合处奇偶模阻抗的估计值。

在ADS的linecal模块中完成对微带线长宽的计算，在输入、输出端口加50Ω传输线完成匹配，得到原理设计图后进行仿真可得S参数曲线，见图1。

三、电容对滤波器的影响

在电路加工中会引入杂散电容，因此有必要讨论电容对滤波器的影响。

在各耦合节处与地间用等电容值的电容连接，分别以电容值为0.1pF、0.5pF、1.0pF、2.0pF为例，绘制S参数曲线如图1。可以发现，随着并联电容增大，通带向低频段移动，通带变窄，波纹系数增大，滤波特性恶化。

四、结语

本次仿真设计展现了平行耦合结构简单易设计的特点，研究中发现外接电容对滤波器的频率特性有较大的影响。本文总结了一些规律经验，为此类滤波器的优化调试提供了一些思路。

参考文献：

[1]童诗白，华成英主编.清华大学电子学教研组编.模拟电子技术基础[M].5版.北京：高等教育出版社，2015，7：303304.

[2]雷振亚.射频/微波电路导论[M].西安电子科技大学出版社，2005.8：8794.

[3]李睿.移动通信微波集成双工器的分析设计[D].南京理工大学，2004.

[4]钟蔚杰，杨景曙.微带线带通滤波器的ADS辅助设计[J].现代雷达，2008，30（3）：8890.