平行耦合微带带通滤波器的设计与仿真

黄 宇，王 琼，严 南，陈建国

(成都理工大学 工程技术学院 电子信息与计算机工程系，四川 乐山 614000)

0 引 言

滤波器是无线通信系统的重要构成部分之一，其性能的优劣很大程度上决定了无线通信系统的工作性能[1-5]。微带滤波器具有重量轻、频带宽、结构紧凑和易于集成等特点，被广泛应用于各种微波通信电路中[6-11]。微带滤波器传统的设计方法是通过经验公式和查表求得微带滤波器的结构参数，这种设计方法过程复杂烦琐，设计精度不高，其最后设计的微带滤波器性能指标通常与设计指标差距较大[12-13]。近年来，随着各种微波电路辅助设计软件的发展，例如：Agilent公司的ADS、Ansoft公司的Designer和AWR公司的Microwave Office等，计算机辅助设计软件在射频电路设计方面的应用越来越广泛。其中Agilent公司的ADS软件(advanced design system)集多种EDA软件的优点，可以进行时域、频域仿真，模拟电路、数字电路仿真，线性、非线性电路仿真，其强大的仿真功能和较高的准确性，已经得到业界的普遍认可，成为业内最为流行的射频EDA软件，同时它也是国内各个大学和研究所在微波电路和通信系统仿真方面使用最多的软件之一[14-15]。该文从平行耦合微带带通滤波器的设计指标出发，对平行耦合微带带通滤波器的结构进行设计并对带通滤波器的结构参数进行优化，最终给出了仿真实例。该平行耦合微带带通滤波器的研究可以降低成本、提高性能和集成度、使元器件微型化，为5G通信系统、毫米波技术、微系统技术提供了理论依据，有一定的实际意义。

1 设计过程

1.1 设计指标

平行耦合微带带通滤波器设计指标如表1所示。

表1 设计参数指标

在设计中，选择的微带和基板的结构参数为：基板厚度：0.8 mm，介电常数：4.3，磁导率：1，金属电导率：5.88E+7，封装高度：1.0E+33 mm，金属层厚度：0.03 mm，损耗角正切：1e-4,表面粗糙：0 mm。

1.2 设计原理

平行耦合微带带通滤波器及其等效电路如图1所示。

(a)平行耦合微带带通滤波器结构

(b)平行耦合微带带通滤波器等效电路

根据带通滤波器和低通原型滤波器之间的频率对应关系,计算滤波器中心频率3.05 GHz所对应的低通原型滤波器的频率，由低通原型滤波器的阻带衰减特性曲线，查出滤波器所需的节数n。低通原型滤波器的阶次n由低通到带通的变换式决定。

1.3 原理图设计

在电路中，滤波器两边的引出线是50欧姆的微带线，根据采用的微带材质，其宽度W可由ADS软件自带程序LineCalc计算工具计算出：W=1.52 mm，L=13.6 mm，如图2所示。

图2 LineCalc窗口中微带线计算结果

ADS中构建的电路原理图如图3所示。

图3 ADS中平行耦合微带带通滤波器电路原理

在电路图中，W表示耦合单元左右相邻两侧微带单元的线宽；S表示微带的间距；L表示微带线的长度。

1.4 滤波器结构参数优化

为了满足平行耦合微带滤波器设计指标，耦合微带线的结构参数(w1、w2、w3、s1、s2、s3、l1、l2、l3)是设计和优化的主要对象。由于平行耦合微带滤波器结构对称，选择优化设置控件时设置四个优化目标,前三个是优化参数S21，优化目标1是优化通带(频率为2.99 GHz～3.11 GHz)的衰减>-2 dB，优化目标2、3分别是优化下边阻带(频率<2.8 GHz)的衰减<-40 dB和上边阻带(频率>3.3 GHz)的衰减<-40 dB。优化目标4是优化参数S11，通过对此参数的优化，主要是保证带通滤波器在通带内的反射系数<-20 dB。

在ADS原理图设计窗口中选择工具栏Optimal/Stat/DOE，点击选择优化控制器和四个优化目标,构建优化电路图如图4所示。

图4 ADS中平行耦合微带带通滤波器优化电路

平行耦合微带带通滤波器结构参数优化后所得到的结构参数如图5所示。

图5 耦合微带线的优化后的结构尺寸

1.5 仿真结果及说明

电路原理图仿真结果如图6所示。图6(a)是带通滤波器的传输参数S(2,1)随频率的变化曲线,图6(b)是带通滤波器的反射参数S(1,1)随频率的变化曲线。由图6(a)显示的仿真结果可以看到优化后的滤波器响应良好，通带-阻带过渡陡峭。在通带3.0～3.1 GHz内，通带内纹波<1 dB,增益平坦,稳定性好，频率<2.8 GHz下边带阻带以及频率>3.3 GHz的上边带阻带衰减<-40 dB。由图6(b)显示的仿真结果可以看到反射系数<-20 dB。图6(c)是带通滤波器的群时延随频率的变化曲线，可以看到在通带内，群时延随频率的变化很小，基本上为一个常数。图6(d)是输入电压驻波比随频率的变化曲线，可以看到,输入电压驻波比也已经降到最低,符合设计要求。

综上：优化后的平行耦合微带带通滤波器的结构参数符合设计要求。

(a)通带仿真结果 (b)输入反射仿真结果

2 版图设计及矩量法仿真

原理图的仿真是在完全理想的状态下进行的，而实际电路板多的制作由于需要考虑一些干扰、耦合等因素的影响，往往和理论有很大的差距。因此，需要在ADS中对电路版图进行设计并进一步仿真之后才能进行电路板的制作。本设计中，版图的仿真采用矩量法。矩量法直接对电磁场进行计算，其结果比原理图中仿真要准确，可利用版图仿真的结果对原理图设计结果进行验证。

由平行耦合微带带通滤波器的电路原理图(图4)生成的电路版图如图7所示。

图7 平行耦合微带滤波器电路版图

对微带带通滤波器电路版图进行矩量法(momentum)仿真，得到的S参数随频率的变化曲线如图8所示。

(a)端口1反射系数(S11)仿真结果 (b)反向传输系数(S12)仿真结果

对比图6和图8平行耦合微带滤波器的原理图和电路版图的仿真结果可以看到，所设计的平行耦合微带带通滤波器在通带的纹波、阻带的衰减及反射系数等各设计指标都满足设计要求。

3 结束语

根据ADS软件仿真得到的平行耦合微带滤波器微带的线宽、线长及微带的间距结构参数,便可以加工实物。通过利用ADS软件设计微带带通滤波器的过程可以看到，与传统理论设计方法相比，利用微波软件(例如ADS软件)设计方法简化了设计过程,提高了设计的精度和效率，降低了成本，此方法对高性能滤波器设计具有重要实用价值。