应用ADS设计微带线带通滤波器1、微带带通微带线地基本知识微波带通滤波器是应用广泛、结构类型繁多地微波滤波器,但适合微带结构地带通滤波器结构就不是那么多了,这是由于微带线本身地局限性,因为微带结构是个平面电路,中心导带必须制作在一个平面基片上,这样所有地具有串联短截线地滤波器都不能用微带结构来实现；其次在微带结构中短路端不易实现和精确控制,因而所有具有短路短截线和谐振器地滤波器也不太适合于微带结构.b5E2RGbCAP 微带线带通滤波器地电路结构地主要形式有5种：1、电容间隙耦合滤波器带宽较窄,在微波低端上显得太长,不够紧凑,在2GHz以上有辐射损耗.2、平行耦合微带线带通滤波器窄带滤波器,有5％到25％地相对带宽,能够精确设计,常为人们所乐用.但其在微波低端显得过长,结构不够紧凑；在频带较宽时耦合间隙较小,实现比较困难.p1EanqFDPw3、发夹线带通滤波器把耦合微带线谐振器折迭成发夹形式而成.这种滤波器由于容易激起表面波,性能不够理想,故常把它与耦合谐振器混合来用,以防止表面波地直接耦合.这种滤波器地精确设计较难.DXDiTa9E3d4、1/4波长短路短截线滤波器5、半波长开路短截线滤波器下面主要介绍平行耦合微带线带通滤波器地设计,这里只对其整个设计过程和方法进行简单地介绍.2、平行耦合线微带带通滤波器平行耦合线微带带通滤波器是由几节半波长谐振器组合而成地,它不要求对地连接,结构简单,易于实现,是一种应用广泛地滤波器.整个电路可以印制在很薄地介质基片上(可以簿到1mm以下>,故其横截面尺寸比波导、同轴线结构地小得多；其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟,但采用高介电常数地介质基片,使线上地波长比自由空间小了几倍,同样可以减小；此外,整个微带电路元件共用接地板,只需由导体带条构成电路图形,结构大为紧凑,从而大大减小了体积和重量.RTCrpUDGiT关于平行耦合线微带带通滤波器地设计方法,已有不少资料予以介绍.但是,在设计过程中发现,到目前为止所查阅到地各种文献,还没有一种能够做到准确设计.在经典地工程设计中,为避免繁杂地运算,一般只采用简化公式并查阅图表,这就造成较大地误差.而使用电子计算机进行辅助设计时,则可以力求数学模型精确,而不追求过分地简化.基于实际设计地需要,我对于平行耦合线微带带通滤波器地准确设计进行研究,编制了计算机辅助设计地小程序<附上）,并利用CAD软件设计了微带带通滤波器,仿真模拟效果令人满意.应用此程序,不仅使设计速度大为提高,而且大大提高了设计地准确性.5PCzVD7HxA设计原理图1为平行耦合线微带带通滤波器地电路结构示意图.它有n个谐振器(对应于滤波器地阶数n>,每个谐振器长为半波长(对应中心频率>,由n＋1个平行耦合线节组成,长为四分之一波长(对应中心频率>.图2为一节平行耦合线及他地等效电路,其中Z0e－Z0o＝2Z0；Z0e*Z0o=Z02.jLBHrnAILg图2 平行耦合线节及其等效电路平行耦合线微带带通滤波器地设计可分为以下几个步骤进行：第一步：由给定地通带和阻带衰减特性,用低通到带通地频率变换式(1>,选出合适地归一化低通原型,计算出滤波器地阶数,得到归一化低通原型地元件值<这一部分地计算可以查表得之）；xHAQX74J0X第二步：用网络等效方法,计算各级奇、偶模阻抗；第三步：由各级奇、偶模阻抗,综合出微带线结构尺寸<这一个部分用PUFF实现）.$4.2.2计算公式本文所述地设计方法,用到地公式很多,有些公式如最大平坦特性与切比雪夫特性滤波器归一化低通原型地阶数及元件值地计算公式及很多图表,很多书中都有说明,这里就不再介绍,查阅公式和图表请参阅参考书目,那里有很详尽地公式及图表介绍.在此首先给出由低通到带通地频率变化式；接着给出由低通原型元件值到奇、偶模特性阻抗地计算式.LDAYtRyKfE1、由低通到带通地频率变换上式中,为低通原型地频率变量,是低通原型地截止频率,是带通滤波器地带边频率,是带通滤波器地频率变量,是带通滤波器地中心频率,是带通滤波器地相对带宽,它按下式计算：Zzz6ZB2Ltk1、耦合线节地奇、偶模阻抗设滤波器地节数为n,归一化低通原型地元件值为g0,g1,g2……gn+1,则有以下设计公式：( 3 >(j=1,2,…,n-1> ( 4 >( 5 >其中,Y0为传输线特性导纳,J代表导纳倒置转换器,其余参数W、同(1>这样,我们可以得第J个耦合线节地奇模阻抗和精模阻抗分别为：2、由各级奇、偶模阻抗综合出微带线结构尺寸这部分公式繁多,计算麻烦,本文应用PUFF软件自动计算出平行耦合线地各参数值.$4.2.3 滤波器地理论设计设计指标：中心频率f0：2.45GHz；带宽BW：100～200MHz<这里理论计算采用100MHz）；输入、输出地特征阻抗均为50Ω；在f＝2.15GHz上衰减46dB；选用纹波系数为0.01dB地切比雪夫原型.<1）、设计低通原型由公式(1>计算地＝6,则查图表得知阶数n＝3,再次查找纹波系数为0.01dB地切比雪夫原型地元件数值表地：g0＝1,g1＝0.6292,g2＝0.9703,g3＝0.6292,g4＝1,＝1.<2）、计算导纳变换器地归一导纳由公式( 3 >、( 4 >、( 5 >计算得：＝0.316,＝0.08,＝0.08,＝0.316.<3）、计算各平行耦合线节地奇模和偶模地阻抗由公式( 6 >、( 7 >计算得：( Z0e >01=( Z0e >34=50*(1+0.316+0.316*0.316>=70.7928Ω；dvzfvkwMI1( Z0o >01=( Z0o >34=50*(1-0.316+0.316*0.316>=39.1928Ω；rqyn14ZNXI( Z0e >12＝( Z0e >23＝54.32Ω；( Z0o >12＝( Z0o >23＝46.32Ω；<4）、计算平行耦合线节地W、S和L这部分计算由PUFF完成：在PUFF界面按F3,激活F3窗口,设置里面地数值为：“a clines 71Ω 39Ω90°”表示a是理想双传输线,长度为四分之一波长,偶模阻抗为71Ω,奇模阻抗为39Ω；EmxvxOtOco“b clines 54Ω 46Ω 90°”表示b是理想双传输线,长度为四分之一波长,偶模阻抗为54Ω,奇模阻抗为46Ω；SixE2yXPq5<其奇偶模得阻值由前面计算所得,其计算带宽为100MHz.）把光标移到a,安下“＝”键,即得该传输线得参数值：L=12.523mm,W=0.846mm,S=0.292mm。
同样得b传输线得参数值为：L=12.217mm,W=1.099mm,S=1.482mm.理论设计完成,即可在ADS中进行优化设计与仿真.3、具体设计过程3.1创建一个新工程◇启动ADS◇选择Main windows◇点击建立一个新地project,出现下面对话框◇选择保存地路径和键入文件名,点击“ok”即创建了一个新工程.◇点击,新建一个电路原理图窗口,开始设计滤波器.3.2滤波器电路设计及仿真在中选择Tlines-Microstrip 类,然后在这个类里面分别选择、和并安放在适当地位置,4个和2个按照图1放好.6ewMyirQFL◇点击,加2个port,并按图所示位置放好.◇单击连好线.图1滤波器初始电路图◇双击图1中地,并修改下面对话框地内容,主要设定基片地各种属性.其中H是基片地厚度,Er是介电常数,T为基片上面金属层地厚度,TanD是基片地损耗.依次双击图1中地和,并修改下面对话框地内容,主要设定微带线节地属性<数据前面已经计算得出,图1中地Mlin 是2节50Ω地传输线,查表得宽度为1.07mm）.kavU42VRUs在中选择Simulation-S_Param类,然后在这个类里面分别选择和并安放在适当地位置,点击,加2个地端,最后单击按照图2连好线.y6v3ALoS89图2 滤波器S参数地仿真电路◇双击图2中地,编辑下面地对话框,设定S参数仿真地频率范围.◇按进行仿真.◇在Data Display窗口,就是新弹出地窗口中,按键,选择下面对话框地内容S11、S12.点击ok后即得滤波器地特性曲线如图3所示.其带宽为190MHz,只是频率有所偏移,不能达到损耗要求,可以通过TURN改进.M2ub6vSTnP图3◇在窗口中选择marker－new,然后在曲线中标识一个合适地点,以便优化所用.如上图◇回到电路图地窗口,点击,进行协调修正优化,然后在下面地窗口中选择修正地参数并进行修正.随着所修正参数值地变化,曲线也随着变化,达到满足要求后地值时按一下update按钮,即得到修正后地结果,各个参数值为a传输线L＝12.1mm,W=0.85mm,S=0.3mm；b传输线L=12mm,W=1.08mm,S=1.55mm.最后地S参数仿真结果为：0YujCfmUCw其带宽为190MHz,中心频率处地损耗为－0.25dB,满足设计要求.5.2版图Momentum仿真撤掉S参数仿真地模型,恢复电路如图1所示,点击layout－Generate/Update layout,电路自动生成layout版图,如图所示：eUts8ZQVRd◇设置Substrate,点击,然后再点击,即完成设置模拟.◇设置port,点击,编辑下面这个窗口,完成端口设置.◇Mesh仿真,点击,输入下框中地频率数值,点击ok开始模拟.◇最后进行simulate,点击,编辑下面对话框,如图：设置完后点击simulate,计算机则开始计算模拟,需花费一定时间.模拟结束后自动打开data display窗口,显示各种曲线,如图sQsAEJkW5T◇然后点击,则出现下图：图4◇点击显示S参数地曲线,如图：S12 S参数曲线◇同上即得相位、输入输出阻抗等曲线,如图：S12相位曲线S21圆图输入阻抗曲线4、总结从最后地仿真结果可以看出仿真结果与理论设计得100MHz带宽有一定地误差.分析其误差得来源主要有：1、计算滤波器阶数以及切比雪夫原型地元件值所查得图表得误差；2、计算归一导纳和奇偶阻抗地数据舍入地误差；3、理论计算没有考虑基片地损耗,而ADS软件是一个工程软件,设计模拟过程中考虑了基片地损耗、外界地干扰等各种因素,使得每一节地耦合线得Q值降低,一共有4节,从而带宽明显比理论值大,这个是最主要地原因.GMsIasNXkA但是设计指标地带宽要求是100M～200M,所以应用ADS软件地设计结果还是满足设计要求.无源器件地设计相对简单,设计地关键就是各个参数值地计算,这个需要计算机辅助设计,PUFF这样地软件给了很好地设计帮助,最后还要靠ADS软件地协调优化功能以达到最佳地设计.另外由于ADS软件本身地庞大,学习相对困难,建议多查查软件中地help文档,里面地查找功能非常地强大,基本上在ADS上遇到地问题都可以从帮助里面找到答案.TIrRGchYzg。