微带线带通滤波器的ADS设计

应用ADS设计微带线带通滤波器
1、微带带通微带线的基本知识
微波带通滤波器是应用广泛、结构类型繁多的微波滤波器，但适合微带结构的带通滤波器结构就不是那么多了，这是由于微带线本身的局限性，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，这样所有的具有串联短截线的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的滤波器也不太适合于微带结构。

微带线带通滤波器的电路结构的主要形式有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％的相对带宽，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。

3、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，以防止表面波的直接耦合。

这种滤波器的精确设计较难。

4、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的设计，这里只对其整个设计过程和方法进行简单的介绍。

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的，它不要求对地连接，结构简单，易于实现，是一种应用广泛的滤波器。

整个电路可以印制在很薄的介质基片上(可以簿到1mm以下)，故其横截面尺寸比波导、同轴线结构的小得多；其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟，但采用高介电常数的介质基片，使线上的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。

关于平行耦合线微带带通滤波器的设计方法，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的各种文献，还没有一种能够做到准确设计。

在经典的工程设计中，为避免繁杂的运算，一般只采用简化公式并查阅图表，这就造成较大的误差。

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，而不追求过分的简化。

基于实际设计的需要，我对于平行耦合线微带
带通滤波器的准确设计进行研究，编制了计算机辅助设计的小程序（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的准确性。

设计原理
图1为平行耦合线微带带通滤波器的电路结构示意图。

它有n个谐振器(对应于滤波器的阶数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的等效电路，其中Z0e－Z0o＝2Z0；Z0e*Z0o=Z02。

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的设计可分为以下几个步骤进行：
第一步：由给定的通带和阻带衰减特性，用低通到带通的频率变换式(1)，选出合适的归一化低通原型，计算出滤波器的阶数，得到归一化低通原型的元件值（这一部分的计算可以查表得之）；
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
本文所述的设计方法，用到的公式很多，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的阶数及元件值的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，那里有很详尽的公式及图表介绍。

在此首先给出由低通到带通的频率变化式；接着给出由低通原型元件值到奇、偶模特性阻抗的计算式。

1、由低通到带通的频率变换
上式中，为低通原型的频率变量，是低通原型的截止频率，是带通滤波器的带边频率，是带通滤波器的频率变量，是带通滤波器的中心频率，是带通滤波器的相对带宽，它按下式计算：
1、 耦合线节的奇、偶模阻抗
设滤波器的节数为n ，归一化低通原型的元件值为g 0,g 1,g 2……g n+1，则有以下设计公式：
'110001g g 2W Y J ωπ= ( 3 )
1
j j '101j ,j g g 12W Y J ++∙ωπ= (j=1，2，…，n-1) ( 4 ) '
11n n 01n ,n g g 2W Y J ωπ=++ ( 5 ) 其中，Y 0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 个耦合线节的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的各参数值。

$4.2.3 滤波器的理论设计
设计指标：
中心频率f 0：2.45GHz ；
带宽BW ：100～200MHz （这里理论计算采用100MHz ）；
输入、输出的特征阻抗均为50Ω；
在f ＝2.15GHz 上衰减46dB ；
选用纹波系数为0.01dB 的切比雪夫原型。

（1）、设计低通原型
由公式(1)计算的'1
ωω'＝6， 则查图表得知阶数n ＝3，再次查找纹波系数为0.01dB 的切比雪夫原型的元件数值表的：
g0＝1，g1＝0.6292，g2＝0.9703，g3＝0.6292，g4＝1，'1ω＝1。

（2）、计算导纳变换器的归一导纳
由公式( 3 )、( 4 )、( 5 )计算得：
001Y J ＝0.316，012Y J ＝0.08，023Y J ＝0.08，0
34Y J ＝0.316。

（3）、计算各平行耦合线节的奇模和偶模的阻抗
由公式( 6 )、( 7 )计算得：
( Z 0e )01=( Z 0e )34=50*(1+0.316+0.316*0.316)=70.7928Ω；
( Z 0o )01=( Z 0o )34=50*(1-0.316+0.316*0.316)=39.1928Ω；
( Z 0e )12＝( Z 0e )23＝54.32Ω；
( Z 0o )12＝( Z 0o )23＝46.32Ω；
（4）、计算平行耦合线节的W 、S 和L
这部分计算由PUFF 完成：
在PUFF 界面按F3，激活F3窗口，设置里面的数值为：
“a clines 71Ω 39Ω 90°”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；
“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；
（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创建一个新项目
◇ 启动ADS
◇ 选择Main windows
◇ 点击建立一个新的project ，出现下面对话框
◇ 选择保存的路径和键入文件名，点击“ok ”即创建了一个新项目。

◇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、和并安放在适当的位置，4个和2个按照图1放好。

◇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中的，并修改下面对话框的内容，主要设定基片的各种属性。

其中H是基片的厚度，Er是介电常数，T为基片上面金属层的厚度，TanD 是基片的损耗。

◇依次双击图1中的和，并修改下面对话框的内容，主要设定微带线节的属性（数据前面已经计算得出，图1中的Mlin是2节50Ω的传输线，查表得宽度为1.07mm）。

◇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的位置，点击，加2个地端，最后单击按照图2连好线。

图2 滤波器S参数的仿真电路
◇双击图2中的，编辑下面的对话框，设定S参数仿真的频率范围。

◇按进行仿真。

◇在Data Display窗口，就是新弹出的窗口中，按键，选择下面对话框的内容S11、S12。

◇点击ok后即得滤波器的特性曲线如图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。

图3
◇在窗口中选择marker－new，然后在曲线中标识一个合适的点，以便优化所用。

如上图
◇回到电路图的窗口，点击，进行协调修正优化，然后在下面的窗口中选择修正的参数并进行修正。

◇随着所修正参数值的变化，曲线也随着变化，达到满足要求后的值时按一下update按钮，即得到修正后的结果，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.最后的S
参数仿真结果为：
其带宽为190MHz，中心频率处的损耗为－0.25dB，满足设计要求。

5.2版图Momentum仿真
◇撤掉S参数仿真的模型，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：
◇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，输入下框中的频率数值，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
◇然后点击，则出现下图：
◇点击显示S参数的曲线，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
从最后的仿真结果可以看出仿真结果与理论设计得100MHz带宽有一定的误差。

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的元件值所查得图表得误差；
2、计算归一导纳和奇偶阻抗的数据舍入的误差；
3、理论计算没有考虑基片的损耗，而ADS软件是一个工程软件，设计模
拟过程中考虑了基片的损耗、外界的干扰等各种因素，使得每一节的耦合线得Q值降低，一共有4节，从而带宽明显比理论值大，这个是最主要的原因。

但是设计指标的带宽要求是100M～200M，所以应用ADS软件的设计结果还是满足设计要求。

无源器件的设计相对简单，设计的关键就是各个参数值的计算，这个需要计算机辅助设计，PUFF这样的软件给了很好的设计帮助，最后还要靠ADS 软件的协调优化功能以达到最佳的设计。

另外由于ADS软件本身的庞大，学习相对困难，建议多查查软件中的help文档，里面的查找功能非常的强大，基本上在ADS上遇到的问题都可以从帮助里面找到答案。