基于ADS的平行耦合带通滤波器的设计

　　引言

　　滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络，对通带内的频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，从而实现信号频谱过滤功能。微波带通滤波器在无线通信系统中起着至关重要的作用，尤其是在接收机前端。滤波器性能的优劣直接影响到整个接收机性能的好坏，它不仅起到频带和信道选择的作用，而且还能滤除谐波，抑制杂散[1]。平行耦合微带线滤波器是一种分布参数滤波器，它是由微带线或耦合微带线组成，其具有重量轻、结构紧凑、价格低、可靠性高、性能稳定等优点，因此在微波集成电路中，它是一种被广为应用的带通滤波器[2~4]。

　　在以往设计各种滤波器时，往往需要根据大量复杂的经验公式计算及查表来确定滤波器的各级参数，这样的方法不但复杂繁琐，而且所设计滤波器往往性能指标难以达到要求。本文将先进的微波电路仿真软件ADS2008与传统的设计方法相结合设计一个平行耦合微带线滤波器，并进行建模、仿真、优化设计。

　　平行耦合微带线带通滤波器

　　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[5~8]。

　　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2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，长度约为四分之一波长(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Z0、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[2]：

BW为带通滤波器的相对带宽，g为标准低通滤波器参数，Z0为滤波器输入、输出端口的传输线特性阻抗，下标i，i+1表示如图2所示的耦合段单元。

　　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。

　　所设计滤波器参数指标如下：滤波器中心频率ω0 (ω0=(ωH+ωL)/2)为2.1GHz，相对带宽9%;在ω为1.8GHz及2.4GHz时衰减大于35dB，带内波纹为0.1dB，微带线特性阻抗Z0为50 W。

　　(1)首先根据滤波器参数指标，计算出滤波器低通归一化频率 ，查切比雪夫滤波器衰减特性表得滤波器级数N，同时查切比雪夫滤波器元件参数表可知具有带内波纹0.1dB的6阶切比雪夫标准低通滤波器参数g0=g6=1，g1=g5=1.1468，g2=g4=1.3712，g3=1.9750。

　　(2)根据滤波器设计要求得到滤波器带宽，从而根据公式(1)，(2)得到参数Ji,i+1和奇偶模阻抗的值如表1所示。

　　(3)选定电路板材参数如下：厚度h为0.5mm，介电常数 为4.2，相对磁导率Mur为1，电导率Cond为5.88E+7，金属层厚度为0.03mm。使用ADS中的计算工具LineCalc计算微带线的宽度W、间距S和长度L。由此得到的各耦合段物理尺寸参数如表2所示。

　　(4)原理图的仿真优化。将上述结构尺寸输入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。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，为此需要进行优化设定优化目标及优化控制器参数。

　　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。对于开路端微带线 , 通常将其边缘效应等效为一个电容件，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。解决此问题可以利用ADS的优化功能，优化后的仿真结果如图5所示，优化原理图如图6所示。

　　(5)微带滤波器的实际电路是由电路板和微带线构成行计算得出的, 实际电路的性能可能会与原理仿真图的结果有很大的差别。版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行仿真，其结果比在原理图中仿真更加准确。因此，可以将原理图生成版图进行矩量法(Momentm)仿真。矩量法仿真结果如图7所示。

　　仿真得到的曲线不能满足指标要求，那么要重新回到原理图窗口进行优化仿真，产生这种情况的原因是相邻耦合线节间的线宽相差过大或者其他参数取值不适合，这些可以改变优化变量的初值，也可以根据曲线与指标的差别情况适当调整优化目标侧参数，重新进行优化。

　　(6)平行耦合带通滤波器调试与制作

　　将设计的平行耦合带通滤波器制成印刷电路板，然后用网络分析仪测试微带滤波器实际电路。调试系统方框图如图8所示。

　　需要调试的参数主要有以下几个：输入输出端口的反射参数S11，S22;通带内衰减和阻带内衰减S21。S12;群延时[9~10]。通过对以上参数的测量就可以得到微带滤波器的各项参数。测量完成后，观察网络分析仪的测量结果是否达到指标要求，并把结果与实际测量结果相比较。如果测试结果与设计要求相差过多，则需要对电路进行调整，直至重新进行设计、制板。

　　结语

　　本文以平行耦合微带线带通滤波器原理为基础，将传统的滤波器设计方法与利用微波电路仿真工具设计滤波器的方法相结合，设计了一个相对带宽为9%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。