實(shí)現(xiàn)射頻帶通濾波器有多種方法，如微帶、腔體等。腔體濾波器具有Q值高、低插損和高選擇性等特點(diǎn)，但存在成本較高、不易調(diào)試的缺點(diǎn)，并不太適合項(xiàng)目要求。而微帶濾波器具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于實(shí)現(xiàn)、獨(dú)特的選頻特性等優(yōu)點(diǎn)，因而在微波集成電路中獲得廣泛應(yīng)用。
常用的微帶帶通濾波器有平行耦合微帶線濾波器、發(fā)夾型濾波器、1/4波長短路短截線濾波器、交指濾波器等形式以及微帶線的EBG (電磁帶隙 )、DGS(缺陷地結(jié)構(gòu) )等新結(jié)構(gòu)形式。而平行耦合微帶帶通濾波器具有體積小、重量輕、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
平行耦合帶通濾波器帶通濾波器是一種分布參數(shù)濾波器濾波器，它是由微帶線或耦合微帶線組成，其具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低、可靠性高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此在微波集成電路集成電路的供應(yīng)商中，它是一種被廣為應(yīng)用的帶通濾波器。
濾波器的基礎(chǔ)是諧振電路，它是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，對通帶內(nèi)的頻率信號呈現(xiàn)匹配傳輸，對阻帶頻率信號失配而進(jìn)行發(fā)射衰減，從而實(shí)現(xiàn)信號頻譜過濾功能。微波帶通濾波器在無線通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，尤其是在接收機(jī)前端。濾波器性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)接收機(jī)性能的好壞，它不僅起到頻帶和信道選擇的作用，而且還能濾除諧波，抑制雜散。
平行耦合帶通濾波器結(jié)構(gòu)與模型的創(chuàng)建
平行耦合單元由兩根相互平行且有一定間距的微帶線組成，其結(jié)構(gòu)圖包括介質(zhì)層、接地層和微帶線如圖 3.3 所示。圖中每根微帶線的寬度和厚度分別為為 W 和t；兩根微帶線的間距為 S；介質(zhì)層厚度和介電常數(shù)分別為 h 和 Er。兩根微帶線通過接底層產(chǎn)生了耦合效應(yīng)，隨之產(chǎn)生了奇模和偶模特征阻抗。平行耦合帶通濾波器通過級聯(lián)平行耦合線元件得到。
圖2.1 平行耦合微帶線結(jié)構(gòu)圖
平行耦合帶通濾波器的相對帶寬 BW 與中心頻率 、上邊頻 和下邊頻 有關(guān)，而奇模和偶模特征阻抗由低通濾波器參數(shù) g、濾波器輸入輸出端口特征阻抗 Zo和耦合單元組成。可由以下公式得到：
式中
和
分別為奇模和偶模的特性阻抗，i,i+1表示耦合段單元。
平行耦合帶通濾波器參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)
本節(jié)中所設(shè)計(jì)的平行耦合帶通濾波器指標(biāo)如下表所示：
根據(jù)表中濾波器指標(biāo)，選擇0.1dB紋波的切比雪夫?yàn)V波器來設(shè)計(jì)，階數(shù)為5階。對應(yīng)低通濾波器原型參數(shù)可以通過查表獲取：
那么依據(jù)公式可求得奇偶模特征阻抗，如表2.2所示。
同時(shí)可以使用ADS中的Linecalca工具可以通過奇偶模阻抗計(jì)算出耦合微帶線的各節(jié)尺寸參數(shù)，每節(jié)耦合微帶線尺寸如表2.3所示。
圖2.2 耦合微帶線計(jì)算工具
這里選用Rogers 5880T高頻板材來對濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，介電常數(shù) 損耗正切TanD=0.0009，導(dǎo)體層厚度T=0.035mm。原理圖和S參數(shù)如圖2.3和圖2.4所示。
圖2.3 ADS電路原理圖
圖2.4 ADS電路原理圖仿真S參數(shù)曲線響應(yīng)
由圖 2.4 可知，該帶通濾波器中心頻率為2.55GHz，插入損耗 S21滿足指標(biāo)，但回波損耗S11在2.5GHz低于15dB及阻帶衰減都沒有滿足要求，顯然無法滿足濾波器指標(biāo)，因此我們需要對平行耦合帶通濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
平行耦合帶通濾波器優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)
在平行耦合帶通濾波器的仿真優(yōu)化中，S參數(shù)是衡量濾波器性能好壞的的重要指標(biāo)，S參數(shù)中包括S11和S21。S11為反射系數(shù)，也就是回波損耗，S21為傳輸系數(shù)，也就是插入損耗。本節(jié)中設(shè)定優(yōu)化參數(shù) S21大于-1.5dB，S11小于-15dB。接下來將在 ADS 仿真軟件的原理圖中對平行耦合帶通濾波器進(jìn)行優(yōu)化。
本節(jié)設(shè)計(jì)的平行耦合帶通濾波器有5對耦合節(jié)(6個(gè)階梯)，主要的優(yōu)化參數(shù)為微帶線的長 L、寬W和間距S。經(jīng)多次參數(shù)優(yōu)化后，最終得到平行耦合微帶帶通濾波器的具體尺寸，如表 2.4 所示,優(yōu)化后的原理圖如圖2.5所示。
從表2.4中可以看出，優(yōu)化后的每組微帶線間距S與長度L與前面通過公式計(jì)算出的理論值不同，這是由于平行耦合微帶線存在線間邊緣效應(yīng)，從而影響了各個(gè)參數(shù)的計(jì)算。經(jīng)過ADS電路優(yōu)化后的濾波器S參數(shù)如圖2.6所示。
圖2.6 ADS優(yōu)化后的電路原理仿真特性
由圖2.6可以看出，優(yōu)化后的濾波器中心頻率在2.55GHz，通帶帶寬約100MHz，S21在通帶起伏不大，帶內(nèi)衰減大于-2.0dB，從S21可以看到阻帶衰減都小于-40dB，滿足設(shè)計(jì)要求。
在第二部分內(nèi)容中進(jìn)行的原理圖仿真，是在完全理想狀態(tài)下進(jìn)行的，而實(shí)際電路板的制作由于需要考慮一些干擾、耦合等因素的影響，往往和理論有很大的差距。因此需要在ADS完成原理圖仿真后，對其進(jìn)行版圖的三維電磁場仿真。本文對版圖的仿真在HFSS工作環(huán)境中進(jìn)行。采用FEM有限元法對電磁場進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果比原理圖中仿真更加準(zhǔn)確。
由平行耦合微帶帶通濾波器的電路圖創(chuàng)建的HFSS電路版圖如圖3.1所示。
圖3.1 HFSS創(chuàng)建的平行耦合帶通濾波器版圖
對微帶帶通濾波器電路版圖進(jìn)行仿真，得到的S參數(shù)隨頻率的變化曲線如圖3.2所示。
圖3.2 HFSS平行耦合微帶帶通濾波器S參數(shù)仿真結(jié)果
對比圖2.6 和圖3.2 平行耦合微帶濾波器的原理圖和電路版圖的仿真結(jié)果可以看到,所設(shè)計(jì)的平行耦合微帶帶通濾波器在通帶的紋波、阻帶的衰減及反射系數(shù)等各設(shè)計(jì)指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求。
根據(jù)ADS和HFSS 軟件仿真得到的平行耦合微帶濾波器微帶的線寬、線長及微帶的間距結(jié)構(gòu)參數(shù),便可以加工實(shí)物。通過利用ADS 軟件設(shè)計(jì)微帶帶通濾波器的過程可以看到,與傳統(tǒng)理論設(shè)計(jì)方法相比,利用微波軟件(例如ADS 軟件)設(shè)計(jì)方法簡化了設(shè)計(jì)過程,提高了設(shè)計(jì)的精度和效率,降低了成本,此方法對高性能濾波器設(shè)計(jì)具有重要實(shí)用價(jià)值。
聲明：本文首發(fā)仿真 XIUApp，部分圖片和內(nèi)容源自網(wǎng)絡(luò)，作者：Stone，微波工程師主攻無源器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，擅長微帶、腔體、波導(dǎo)、介質(zhì)等類型濾波器，及功分器，耦合器，電橋等無源器件設(shè)計(jì)。
