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1、基于 ADS 的平行耦合微带带通滤波器的设计及优化摘 要:介绍一种借助 ADS(AdvancedDesignSystem)软件进行设计和优化平行耦合微带线带通滤波器的方法,给出了清晰的设计步骤,最后结合设计方法利用 ADS 给出一个中心频率为 4GHz,带宽为 400MHz 的微带带通滤波器的设计及优化实例和仿真结果,并进一步给出电路版图 Momentum 仿真结果。仿真结果表明:这种方法是可行的，满足设计要求。关键词:平行耦合微带线;带通滤波器;ADS;设计;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,使其不能通过滤波器,只让需要的信号通过。在微波电路系统中,滤波
2、器的性能对电路的性能指标有很大的影响,因此如何设计出一个具有高性能的滤波器,对设计微波电路系统具有很重要的意义。微带电路具有体积小,重量轻、频带宽等诸多优点,近年来在微波电路系统应用广泛,其中用微带做滤波器是其主要应用之一。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 基本原理当两个无屏蔽的传输线紧靠一起时,由于传输线之间电磁场的相互作用,在传输线之间会有功率耦合,这种传输线称之为耦合传输线。根据传输线理论,每条单独的微带线都等价为小段串联电感和小段并联电容。每条微带线的特性阻抗为 Z0,相互耦合的部分长度为 L,微带线的宽度为 W,微带线之间的距离为 S,偶模特性阻抗
3、为 Ze,奇模特性阻抗为 Z0。单个微带线单元虽然具有滤波特性,但其不能提供陡峭的通带到阻带的过渡。如果将多个单元级联,级联后的网络可以具有良好的滤波特性。图 1 5 级耦合微带带通滤波器 2 设计步骤2.1 设计低通原型根据带通滤波器的一系列参数通过频率变换和查表选择低通原型滤波器的归一化原型参量。用 1和 2表示带通滤波器的下边界和上边界, 0表示中心频率。将带通滤波器变换为低通原型。2.1.1 确定阶数 )()(u oooLs WW 是带通滤波器的带宽，即等于（ U- L） ，由 S和频率 f 处的衰减值 AS查图得阶数 N。2.1.2 确定归一化原型参量查表根据所要选取的滤波器类型确定
4、归一化原型参量。2.1.3 确定归一化带宽 OLHWB2LHOH为带通滤波器最高截止频率； L为带通滤波器最低截止频率。2.1.4 使用归一化设计参量 1g，2g， 3. N, 1g确定设计参数。2.1.5 根据带通滤波器的设计参数，计算奇模、偶模阻抗值。 21,01,01,0 )(| iii JZZ,| iiie2.1.6 根据每一段耦合微带线的偶模和奇模阻抗，计算微带线的几何尺寸。使用ADS 软件进行仿真优化。3 设计实例3.1 设计指标(1) 带通滤波器频带在 3.84.2GHz；(2）通带内的带内损耗小于-3dB；(3) 3.6GHz 以下，4.4GHz 以上衰减大于-30dB；(4)
5、 系统特性阻抗为 50 ；微带电路板的参数如下:厚度 H=1mm,介质相对介电常数为 Er=2.7，相对磁导率为Mur=1,金属层厚度 T=0.05mm,损耗正切角TanD=0.0003。根据设计的指标及式我们选用 n=7 的 3dB 纹波切比雪夫低通原型。3.2 设计过程（1） 通过确定滤波器阶数，查表得归一化原件值。 0= 8=1, 1= 7=3.5128 2= 6=0.7723 3= 5=4.6386 4=0.8039（2）计算设计参数。Z0J1=Z0J8=0.3007Z0J2=Z0J7=0.1062Z0J3=Z0J6=0.0862Z0J4=Z0J5=0.0834（3）计算微带线的集合尺
6、寸。Z0o|1=39.486 Z0e|1=69.556 Z0o|2=45.254 Z0e|2=55.8739Z0o|3=46.0615 Z0e|3=54.6815Z0o|4=46.1778 Z0e|4=54.51787Z0o|5=46.1778 Z0e|5=54.51787Z0o|6=46.0615 Z0e|6=54.6815Z0o|7=45.254 Z0e|7=55.8739Z0o|8=39.486 Z0e|8=69.5560(4) 计算平行耦合线的、,其7.2r,Mur=1,H=1mm,Hu=1.0e+033mm,T=0.05mm,Cond=5.8E+7,TanD=0.0003，Rough
7、=0mm,Freq=3.15GHz,由中的-得到W(mm) S（mm）L(mm)1 2.3365300.20354812.7172 2.6541201.17691012.57543 2.6720601.4730212.56374 2.6743101.5227512.56255 2.674311.5227512.56256 2.672061.4730212.56377 2.654121.1769112.5758 2.336530.20354612.7517将上述的结构尺寸输入中并设置微带电路板的参数和参数的频率扫描范围进行原理图仿真。4 原理图及原理图仿真结果从仿真图像可以看出算出的线长和线宽不
8、能满足要求，但是频带的选择范围是正确的，所以模型中微带线的线长和线宽还需要进一步优化。5 原理图优化后的仿真结果优化之后的各个耦合线线长（l）线宽（w）和缝隙（s） 。W1=2.063mm s1=0.267mm l1=25.902mmW2=2.530mm s2=1.114mm l2=25.337mmW3=2.530mm s3=1.114mm l3=25.337mmW4=2.063mm s4=0.267mm l4=25.902mm由仿真图可见，系统已达到设计要求，即生成版图。从原理图直接生成的版图可以看出它的特性是比较差的，这是由于版图的计算方法和原理图是不一样的，所以导致结果的差别是比较大的，然而版图的仿真是更接近实际的，因此对版图进行优化。6 优化仿真后从图中可以看出，优化后的版图结果已经明显变好了，但是仍然存在一些问题就是有 4MHz 误差，可能是版图优化经验不足所致，接下来会查阅相关资料，再次完善本次任务。结论本文从耦合微带线的基本理论出发,完整的阐述一种利用 ADS 来进行微带带通滤波器的设计方法,并设计出了一个达到预期的微带带通滤波器。利用 ADS 软件可以大大减少工程师的工作量,并且能提高效率,降低成本。参考文献1黄玉兰.射频电路理论与设计M.北京:人民邮电出版社,2008,10.2刘长军，黄卡玛，闫丽萍.射频通信电路设计；科学出版社.
