平行耦合微带线带通滤波器的设计与优化

李奇威，郭陈江，张兴华

（西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710129）

滤波器是用来分离不同频率信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号，只让需要的信号通过。在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，而平行耦合微带线带通滤波器在微波集成电路中是被广为应用的带通滤波器[1]。

因此如何在较短的周期内设计出一个具有高性能的平行耦合微带线带通滤波器，对于微波电路系统的设计具有很重要的意义。为了实现这一目标，提出一种传统滤波器分析与ADS设计工具相结合的方法。实践证明，通过该方法可在较短周期内设计出一个高性能的平行耦合微带线带通滤波器。

1 基本原理

边缘耦合的平行耦合线由两条相互平行且靠近的微带线构成，单个带通滤波器单元如图1（a）所示。根据传输线理论及带通滤波器理论，带通滤波元件是由串臂上的谐振器和并臂上的谐振器来完成，但是在微带上实现相间的串联和并联谐振元件尤为困难，为此可采用倒置转换器将串并联电路转化为谐振元件全部串联或全部并联在线上[2]。因此，单个耦合微带滤波器单元能够等效成如图1（b）所示的一个导纳倒置转换器和接在两边传输线段的组合。

图1 耦合线单元及其等效电路Fig.1 Coupled line unit and it’s equivalent scheme

这种单独耦合线节单元虽然具有典型的带通滤波器的特性，但是单个带通滤波单元难以具有良好的滤波器响应及陡峭的通带—阻带过度。因此，通常情况下，采取级联多个这些基本耦合单元来构成实用的滤波器。如图1（a）所示为一级联耦合微带线节单元构成的带通滤波器的典型结构，其每一个耦合线节左右对称，长度约为波长（对中心频率而言）。带通滤波器有（N+1）个图1所示的耦合线带通滤波器单元构成，而每一段耦合线又可等效为如图1（b）所示的电路结构，因此导纳倒置转换器之间为特性阻抗为Z0o、电角度为2θ的传输线段。Z0o与Z0e分别为耦合线的奇模与偶模特性阻抗，并可由下列公式确定[3]：

图2 级联耦合微带线带通滤波器Fig.2 Cascade coupled microstrip band-pass filter

2 平行耦合带通滤波器设计

为设计出符合要求的带通滤波器，可以将传统的平行耦合微带线设计方法与先进的微波电路仿真软件ADS2008相结合，使全部设计要求转换成实际的滤波器设计，图3是平行耦合微带线滤波器的设计的流程图[4]。

图3 设计流程图Fig.3 Flow chart of the design

所涉及滤波器指标如下：中心频率2.5 GHz，相对带宽10%；在频率为2.2 GHz及2.8 GHz时衰减大于35 dB，带内波纹0.1 dB，微带线特性阻抗Z0为50 Ω。

1）首先根据滤波器参数计算归一化频率[5]Ω：

其中，ω0为滤波器的中心频率，ωH为滤波器通带的上限频率，ωL为滤波器通带的下限频率。把2.2 GHz及2.8 GHz带入得：

依据带通滤波器频率变换以及设计的有关条件，取绝对值小的值：Ω2=2.271 4

因为选取的带内衰减为0.1 dB，查切比雪夫滤波器衰减特性表得滤波器级数N（带通滤波器单元为N+1个），同时查切比雪夫滤波器元件参数表可知具有带内波纹0.1 dB的5阶（6个带通滤波器单元）切比雪夫标准低通滤波器参数如下：

2） 根据公式（1）、（2）得到参数 Ji，i+1和奇偶模阻抗值 Z0o，如表 1 所示。

表1 奇偶模特性阻抗Tab.1 Even and odd mode surge impedance

3）选定电路板材料参数如下：微带线基板的相对介电常数为2.7，微带线磁导率为1，微带线基板的厚度h为1 mm，微带线的封装高度Mur为1.0e+033，微带线的导体层厚度为0.05 mm，微带线导体的电导率为5.8E+7，损耗正切为0.000 3，表面粗糙度为0 mm，计算时采用2.5 GHz。

根据表1的奇偶模值以及以上所选的材料参数，利用ADS自身的LineCale[6]计算功能所得各节的物理参数如表2。

表2 各节的物理参数Tab.2 Physical parameter of each node

4）原理图的仿真优化。将上述结构尺寸导入ADS中，并设置介质参数和扫频参数，进行原理图仿真，其仿真结果如图4所示，可见中心频率出现了明显的偏移现象，且通带带宽不符合设计要求。这是由于在设计平行耦合微带带通滤波器时没有考虑边缘场效应的影响。

图4 优化前的仿真结果Fig.4 Simulation result before optimization

事实上实际值比设计值偏低的主要原因是耦合单元微带线开路端边缘效应的影响[7]，因此需要进行优化，设定优化目标及优化控制器参数。

对于开路端微带线，通常将其边缘效应等效为一个电容器件，而这个等效电容又可以为一段附加的一定长度的传输线所代替。利用ADS的优化功能可以改善开路段边缘效应的影响，可解决此问题。设置好优化参数，主要包括滤波器各节的 W（宽）、S（间隔）、L（长度）共 9 个参数。

根据设计好的各结构的优化参数，就可以对滤波器基本性能进行优化仿真.每次进行优化仿真后，都需要对优化结果进行观察分析，以便与优化前的结果进行对比。如果一次优化不能满足设计指标的要求.则需要改变优化参数的取值范围。经多次优化后，直到直到S参数曲线达到设计目标，方可停止优化。

本设计经多次优化后，可以得到耦合微带线BPF的具体结构尺寸。设计采用了对称的平行耦合线滤波器结构。值得注意的是，在微带带通滤波器优化过程中，每次只需要对各节耦合微带线的线长、线宽及间隙共9个参数进行部分调整，即可起到改善性能的作用。L主要影响带通滤波器的通带中心频率，通带内的最大衰减则主要受S参数影响，整个通带带宽及带外衰减情况，则受W、S、L 3个参数共同作用。

每次优化只需要进行微调即可达到改善性能的效果，因为初始的理论分析和参数设计与最终尺寸已经比较接近。优化后的仿真结果如图5所示。

优化后，带内的最大衰减为-1.8 dB左右，在2.2 G和2.8 G两个点上，衰减均大于35 dB，且中心频率落在通带的中点，效果良好，符合设计要求。

反复的优化过程中，可以得出 W（宽）、S（间隔）、L（长度）3个参数和通带曲S21线的大概关系。L主要影响带通滤波器的通带中心频率，L越大，中心频率越低；反之，L越小，中心频率越高。而通带内的最大衰减则主要受S参数影响。整个通带带宽及带外衰减情况，则受W、S、L 3个参数共同作用。对以后其他频段滤波器设计具有指导意义。

5）生成版图，如图6所示。

图5 优化后的仿真结果Fig.5 Simulation result after optimization

图6 带通滤波器的电路版图Fig.6 Physical cercuit diagram of band-pass filter

3 结 论

文中以平行耦合线微带线带通滤波器原理为基础，将传统的滤波器分析方法与利用微波电路仿真工具——ADS设计滤波器的方法相结合，设计了一个相对带宽为10%的平行耦合带通滤波器，并给出仿真结果，同时对仿真结果进行了分析。仿真结果表明利用这种方法设计的平行耦合带通滤波器达到了要求的指标，同时使得设计工作量大大减少，精度及效率提高。对于各频段平行耦合线微带带通滤波器的设计、分析与制造，具有很好的参考价值。

[1]张洪福，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）：433-437.

ZHANG Hong-fu，ZHANG ZHEN-qiang，MA Jia-jia.Design and optimization of the parallel coupled microstrip bandpass filter on ADS[J].Chinese Journal of Electron Devices，2010，33（4） ：433-437.

[2]Reinhold L.RF Circuit Design：Theory and Applications Second Edition[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2010.

[3]黄玉兰.射频电路理论与设计[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[4]郑冬，王志刚.基于ADS的平行耦合带通滤波器的设计[J].电子产品世界，2010，17（10）：22-25.ZHENG Dong，WANG Zhi-gang.Design and optimization of the parallel coupled microstrip bandpass filter on ADS[J].Electronic Engineering&Product World，2010，17（10）：22-25.

[5]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.

XIA Zu-xue.Design of EBG microsmp filter[J].Journal of Southwest University of Science and Technology，2006，21（2）：36-40.

[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.

[7]李春红，李志强.低频段腔体滤波器的小型化设计[J].无线电工程，2006，36（2）：45-47.

LI Chun-hong，LI Zhi-qiang.Miniaturization design of lower band cavity filter[J].Radio Engineering of China，2006，36（2）：45-47.