一种微带线射频带通滤波器的设计与研究

曹新亮，李建新，樊延虎

(延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000)

0 引言

一般工作频率超过500 MHz的滤波器是难以用分立元件实现，这是因为工作波长与滤波器元件的物理尺寸比较接近，从而会造成多方面的损耗并使电路性能严重恶化。高频滤波器作为射频系统中广泛使用的无源器件之一，它的性能好坏将直接影响到整个系统的优劣。

微带线是位于接地层上由电介质隔开的印制导线，它是一根带状导(信号线)［1］，微带线滤波器由于其结构简单特点，既可以设计在片级版图中，也可以设计在板级PCB上。

本文为从混频器输出中获得750 MHz下边频信号，设计一种兼顾阻抗变换、信号传输、滤波等功能的微带传输线滤波器。

1 混频输出双端到单端的转换

拟设计的微带线滤波器是要对混频信号进行滤波的。由于混频器是以双端形式输出信号，而微带线滤波器一般是单端输入，输入端子数不相匹配。所以，二者之间需要插入一个巴伦(Balun)合路器。

Balun一词是Balanced和Unbalanced组合而成的，表示在平衡与非平衡之间转换之意。Balun电路可以将差分输出转换成单端输出或者将单端信号转变为差分信号。单端到差分结构的转换器叫分路巴伦;差分到单端结构的转换器称为合路巴伦。其按结构有多种类型，如同轴电缆巴伦、环形微带线巴伦、变压器巴伦、LC巴伦等。

在这里，以片外合路LC巴伦(如图1)插入混频器和微带线滤波器之间进行输出转换。

图1 LC Balun巴伦合路器

在测得混频器单端输出阻抗Zin时，可预设合路LC巴伦在750 MHz的输出阻抗Zout，则合路LC巴伦参数可以根据以下两式确定［2］:

在混频输出滤波器的实现中，可以采用耦合微带线来代替集总参数元件，以 Agilent公司的ADS2006A软件作为微带线滤波器设计软件。ADS仿真设计软件是Agilent公司的一套功能强大的EDA软件，它可以模拟整个信号通路，完成从电路到系统的各级仿真，在射频电路的仿真分析和设计方面的应用非常广泛。利用ADS仿真软件设计滤波器，大大缩减了滤波器的研制时间。并且，利用ADS还可以很方便地对所设计出的滤波器根据设定的指标加以优化，以获得最佳的滤波特性。

2 微带线滤波器设计

参照不同温度条件下混频器输出信号共同的频谱特征:(750±40)MHz范围内频谱较纯，最靠近750 MHz频谱、幅度最大的杂波频率也在1 GHz以上。并且，尽量保持通频带内强度恒定一致。由此，提出滤波器具体设计指标如下:

1)带内起伏l dB;

2)在1 GHz处损耗不低于50 dB;

3)中心频率为750 MHz，710 MHz≤3 dB带宽≤790 MHz，通带内端口反射系数－20 dB;

4)输入、输出阻抗为50 Ω。

为此，需要选择一个滤波器原型，再通过以下三个步骤最终确定带通滤波器的参数:

(1)根据设计要求(如衰减和波纹等因素)，决定选择巴特沃斯低通滤波器作为设计原型。采用巴特沃斯滤波器，可以确定标准低通滤波器参数g0，g1，…。

(2)确定归一化带宽、上截止频率和下截止频率。可得到传输线的奇模、偶模特性阻抗。

(3)确定微带线的实际尺寸。

不同材料的印刷电路板的介电常数是不同的，从而使得计算得到的耦合微带线的参数也不一致。具体参数如下:

基板厚度h为1 mm;基板相对介电常数Er为4.3;磁导率Mur为1;金属电导率 Cond为5.88e+7;封装高度Hu为1.0e+34 mm;金属层厚度T为0.03 mm。

根据参考文献［3］，可将每个奇模特性阻抗和偶模特性阻抗换算成微带线的实际几何尺寸。如果每段耦合微带线的长度都设定为四分之一波长(对中心频率而言)，那么只需要确定铜质导体带的间距S和宽度W就可以了。

根据滤波所要求的参数，滤波器可由5个耦合微带线节组成。平行耦合微带线滤波器的结构是对称的，所以5个耦合微带线节中，第1、5线节的宽度相同，缝隙也相同，分别设置为W1和S1;第2、4线节的宽度和缝隙也分别相同，设置为W2和S2;中间线节的宽度和缝隙则分别设为W3和S3。经过数次优化和调整，最后确定的数值为:W1=0.852 mm;W2=2.193 mm;W3=1.323 mm;S1=0.287 mm;S2=0.348 mm;S3=0.981 mm。如图2 所示。

图2 5节微带线滤波器原理图

根据射频滤波器原理图还要进一步生成版图，版图的设计如图3所示，中间为5个平行耦合微带线节，两侧的为50 Ω微带传输线，分别作为射频信号的输入和输出端口。

图3 微带线滤波器版图

3 微带线带通滤波器特性仿真

利用ADS2006A软件对生成的版图进行仿真与优化［4］，得到的幅频特性如图4。由此可见，正向传输特性S21的带内起伏达到1.5 dB和预设1 dB起伏相比性能有不同程度的恶化。但在750 MHz处几乎没有衰减，3 dB带宽也基本符合要求，特别是在1 GHz及以上频率信号衰减超过50 dB，这对保证混频器输出稳定的750 MHz信号的提取和其它杂波的滤除是有利的。

图4 微带线滤波器正向幅频衰减特性

另外，图5仿真结果展示出微带线传输滤波器正向传输的相移特性。从相移特性可以看出，750 MHz处没有相移，频率低于750 MHz相位超前、710 MHz处相位超前达150°，频率高于750 MHz相位滞后、790 MHz处相位相位滞后约150°。

图5 微带线滤波器正向相频特性

从仿真结果看，微带线传输滤波器对750 MHz这个稳定差频，既无衰减又没有附加相移，若以－20 dB对应的频带为底部带宽，幅频特性矩形系数约为2，此微带线滤波器也可以用作混频输出的片外滤波兼信号传输。

4 结论

通过对平行耦合微带线滤波器的设计，可以看到，使用ADS辅助设计方法理论计算简单，能快速灵活地取得理论期望与设计效果的一致性。此设计方法可以移植到其他介质、结构的滤波器设计中，对片级和板级的传输线滤波器设计均有一定参考价值。

［1］Zhu L，Menzel W.Broad－band microstrip－to－CPW transition via frequency dependent electromagnetic coupling［J］.IEEE Trans.Microwave theory and techniques.2004，52(5):1517－1522.

［2］马耀辉，朱青，盛海波，等.基于 CC1110微功率无线采集器的设计［J］.计算机系统应用，2010，19(4):212 －215.

［3］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):433－437.

［4］余静波，徐家品.基于ADS2009微带带通滤波设计优化［J］.通信技术，2010，43(11):26 －27，30.