一种基于ADS优化的微带带通滤波器设计及实现

ｐｈａｓｅ／ｄｅｇ
Ｍａｇ／ｄＢ
计。究其原因， 根据切比雪夫滤波器设计原 理， 对本次设计结构的微带滤波器， 六节耦 合线已经能够提供足够的阻带衰减， 使得 阻带衰减值相对固定， 而通带可能已接近 可发挥性能的极限， 使得其提升不易实现。
在得到较好的全局优化设计以后， 需 要依据优化设计结果绘制加工版图、制作 以及器件实物的参数测试。在绘制加工版 图时， 受加工工艺的限制， 微带线的具体尺 寸需要手动调整到精度 ０．０１ｍｍ， 并考虑到 加工电路板时的侧向腐蚀问题， 微带线的 宽度和长度需要适当增加。因此， 采用“见 数进一”的方法来取值， 如 ９．４２１ｍｍ 取为 ９．４３ｍｍ， 也给电路板的调试留下余量。当 然， 取值完毕后也需要版图仿真， 确定精度 的调整是否对最终结果有较大的影响。
０引言 微波滤波器在微波中继通信、卫星通信、雷 达 技
术 、电 子 对 抗 及 微 波 测 量 仪 器 中 都 有 广 泛 的 应 用 。 近 年来， 微波电路计算机辅助设计软件的应用越来越广 泛 ， Ａｇｉｌｅｎｔ 公 司 的 高 级 设 计 系 统 （ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｙｓｔｅｍ— ——ＡＤＳ） 软件就是其中的佼佼者， 它也是国内 各大学和研究所在微波电路和通信系统仿真方面使 用最多的软件之一。本文利用 ＡＤＳ 软件对微带带通 滤波器进行优化设计， 节省了设计时间， 提高了设计 精度和设计效率。 １ 基于 ＡＤＳ 优化的微带带通滤波器设计 １．１ 微带带通滤波器的设计指标
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总第 ４４ 卷 第 ４９８ 期 ２００７ 年 第 ６ 期
电测与仪表 Ｅｌｅｃｔｒ ｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒ ｅｍｅｎｔ ＆ Ｉｎｓｔｒ ｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ
Ｖｏｌ．４４ Ｎｏ．４９８ Ｊ ｕｎ． ２００７
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图 ３ 微带带通滤波器版图仿真曲线 到设计要求。同时， 我们也注意到， 阻带性能稍好于设 计指标， 而通带性能稍逊于设计指标。是否可以进一 步降低阻带性能来提升通带性能达到最优设计呢？ 基 于这一想法， 多次优化发现： 实现起来相当困难， 全局 优化的结果总能保证阻带的性能， 而通带的性能在反 射系数与带内衰减之间波动变化， 很难达到最优设
（ １） 通带频率范围： ５．０～６．０ＧＨｚ； （ ２） 带内衰减： 小于 ２．５ｄＢ； （ ３） 带内波动： 小于 ０．５ｄＢ； （ ４） 带内输入输出端口反射系数： 小于－ １５ｄＢ；
＊ 国家“８６３”计划资助项目 （２００６ＡＡ０９Ｚ２１９）
阻带耗损： ４．４ＧＨｚ 以下及 ６．６ＧＨｚ 以上， 衰减大于 ４０ｄＢ。 １．２ 全局优化设计及其实现
收稿日期： ２００７－ ０４－ １２
（ 丘 源 编发） － ３３ －
多。因此， 版图的仿真结果可作为设计可行 性的最终衡量标准。
版图仿真结果表明， ５．１１～５．９５ＧＨｚ 通带 传 输 衰 减 小 于 １．５ｄＢ， 带 内 波 动 略 大 于 ０．５ｄＢ， 端 口 反 射 系 数 小 于－ １５ｄＢ， 阻 带 在 ４．５Ｇｈｚ 与 ６．５ＧＨｚ 衰减达到 ４０ｄＢ， 基本上达
参考文献
［１］ 成都电讯工程学院七系编．ＬＣ 滤 波 器 和 螺 旋 滤 波 器 设 计［Ｍ］．北 京： 人 民 邮 电 出 版 社，１９７８． ［２］ 张海涛，赵国栋．基于 Ａｎｓｏｆｔ 软件的带通滤波器设计［ Ｊ］ ．Ａｎｓｏｆｔ ２００４ 年用户通讯：８４－ ８７． ［３］ 清华大学《微带电路》编写组．微带电路［Ｍ］．人民邮电出版社． 作者简介： 邹德慧（ １９７９－ ） ， 女（ 汉族） ， 四川成都人， 硕 士 研 究 生 ， 从 事 核 技 术 应 用 研 究 。 Ｅｍａｉｌ：ｚｄｈａｈｕｉｅｒ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ 赖万昌（ １９６２－ ） ， 男（ 汉族） ， 教授， 从事智能核仪器研究。
原理图仿真曲线如图 ２ 所示， 可以看 到 ， 在 ５．０ ～６．０ＧＨｚ 内 通 带 传 输 衰 减 小 于 １ｄＢ， 起伏小于 ０．５ｄＢ， 端口反射系数小于 － ２０ｄＢ， 原理图仿真结果达到设计指标， 而 且， 其寄生通带远在 １５ＧＨｚ 以外， 符合实际 需要。但是， 阻带参数还有一定差距， 并未达 到衰减 ４０ｄＢ 的设计指标， 然而从后续的版图仿真结 果可以知道， 六节耦合线的选择基本能够保证阻带的 设计指标。
总第 ４４ 卷 第 ４９８ 期 ２００７ 年 第 ６ 期
电测与仪表 Ｅｌｅｃｔｒ ｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒ ｅｍｅｎｔ ＆ Ｉｎｓｔｒ ｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ
Ｖｏｌ．４４ Ｎｏ．４９８ Ｊ ｕｎ． ２００７
一种基于 ＡＤＳ 优化的微带带通滤波器设计及实现 ＊
邹德慧， 赖万昌， 戴振麟， 葛良全
（成都理工大学 核技术与自动化工程学院， 成都 ６１００５９）
图 ４ 微带带通滤波器反射参数 Ｓ１１ 与传输参数 Ｓ２１ 测试曲线
３ 结束语 微波带通滤波器的传统设计方法大多是通过图
表查询和曲线拟合来完成， 不但工作量大， 而且设计 精度不高。本文采用 ＡＤＳ 软件对微波带通滤波器进 行设计、优化及仿真， 进而依据设计结果加工制作微 波带通滤波器器件， 既减轻了设计者的劳动强度， 缩 短了设计周期， 又提高了设计精度和设计效率， 测试 结果表明微带带通滤波器 ＡＤＳ 优化设计的可行性和 有效性。
momoptimaldesignofmicrowavebandpassfilterbasedonads国家863计划资助项目2006aa09z21931总第44卷第498期电测与仪表vol44no4982007年第6期electricalmeasurementinstrumentationjun2007图1微带带通滤波器优化原理图表1各节耦合微带线优化后的尺寸图2微带带通滤波器原理图仿其曲线进行全局优化常用的优化方法有random随机gradient梯度等随机法通常用于大范围搜索梯度法则用于局部收敛因此在具体设计中首先适当放宽各个参数的取值范围采用随机法优化1000次而后粗略判断随机法之结果的可行性并适当缩小各个参数的取值范围进而采用梯度法优化500次
表 １ 各节耦合微带线优化后的尺寸
ｓ（１，１）／ｄＢ ｓ（２，１）／ｄＢ
ｆｒｅｑ／ＧＨｚ
ｆｒｅｑ／ＧＨｚ
ｆｒｅｑ／ＧＨｚ
ｆｒｅｑ／ＧＨｚ
图 ２ 微带带通滤波器原理图仿其曲线
由原理图生成版图的仿真结果如图 ３ 所示。由于 版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算， 它 的计算比较复杂， 其结果比原理图仿真结果要准确得
利用 ＡＤＳ 软件进行优化设计， 在 ＡＤＳ 软件原理 图版块中用模拟微带线进行布局， 电路板参数按常用 参数设置， 添加相应的控件： 变量控件 ＶＡＲ， Ｓ 参数扫 描控件 Ｓ－ Ｐａｒａｍ 和优化控件 Ｇｏａｌ， 进而得到微带带通 滤波器优化原理图， 如图 １ 所示。
依 据 设 计 指 标 对 耦 合 微 带 线 的 线 长 、线 宽 及 间 隙
关键词： 微带带通滤波器； ＡＤＳ； 全局优化； 矩量法
中图分类号： ＴＮ７１３
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－ １３９０（ ２００７） ０６－ ００３１－ ０３
Ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｉｃｒ ｏｗａｖｅ ｂａｎｄ－ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＳ
ＺＯＵ Ｄｅ－ ｈｕｉ， ＬＡＩ Ｗａｎ－ ｃｈａｎｇ， ＤＡＩ Ｚｈｅｎ－ ｌｉｎ， Ｇｅ Ｌｉａｎｇ－ ｑｕａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｎｕｃｌｅａｒ ＆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｕｎｉｖｅｒｃｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５９ ， Ｃｈｉｎａ）
根据带通滤波器和低通原型滤波器之间的频率 对应关系， 得到带通滤波器中心频率 ６．６ＧＨｚ 所对应 的低通原型滤波器的频率 ， 由低通原型滤波器的衰减 频应特性曲线， 查出滤波器所需的节数。采用切比雪 夫原型， 查切比雪夫特性滤波器的通用衰减曲线， 阻 带衰减 ４０ｄＢ， 波纹衰减 Ｌｒ＝０．５ｄＢ 对应 ＬＲ＝９ｄＢ， 则在纵 坐标上取衰减值为 ４９ｄＢ， 得到所设计的滤波器最小 节数 ｎ＝卷 第 ４９８ 期 ２００７ 年 第 ６ 期
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图 １ 微带带通滤波器优化原理图
进行全局优化， 常用的优化方法有 Ｒａｎｄｏｍ （随机）、Ｇｒａｄｉｅｎｔ（梯度）等， 随机法通常用于大 范围搜索， 梯度法则用于局部收敛， 因此， 在 具体设计中， 首先适当放宽各个参数的取值 范围， 采用随机法优化 １０００ 次， 而后 ， 粗 略 判断随机法之结果的可行性并适当缩小各 个参数的取值范围， 进而采用梯度法优化 ５００ 次。本设计经多次全局优化后， 得到如 表 １ 所示的各节耦合微带线具体尺寸， 其中 Ｗ、Ｓ、Ｌ 分别为线长、线宽、间隙。
设计制作的微带带通滤波器参数测试 曲线如图 ４ 所示， 从图中可以看到， 微带带 通滤波器实物的物理尺寸约 ８×２．５×１．５ｃｍ， 符合实际 使用需求。在指标性能方面， ５．０～６．０ＧＨｚ 通带内传输 衰 减 略 小 于 ２．５ｄＢ， 中 心 频 点 ５．５ＧＨｚ 传 输 衰 减 约 １．７ｄＢ， 带 内 波 动 略 大 于 ０．５ｄＢ， 带 内 输 入 输 出 端 口 反 射 系 数 均 小 于 － １５ｄＢ， 阻 带 在 频 点 ４．０ＧＨｚ 衰 减 约 ３８ｄＢ， 频点６．８ＧＨｚ 衰减约 ４０ｄＢ， 达到设计要求。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｂａｎｄ－ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｙｓｔｅｍ （ＡＤＳ）． Ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ， ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｅ ｏｆ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍｏｍｅｎｔｓ （ＭｏＭ） ｉｓ ｇｉｖｅｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｉｎ ｂａｎｄ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２．５ｄＢ， ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ － １５ｄＢ， ｔｈｅ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｏｕｔ ｏｆ ｂａｎｄ ｉｓ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ４０ｄＢ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｚｅ ｉｓ ｏｎｌｙ ８×２．５×１．５ｃｍ， ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｉ－ ｃｒｏｗａｖｅ ｂａｎｄ－ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＳ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｂａｎｄ－ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ； ＡＤＳ； ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ； ＭｏＭ
摘要： 介绍微带带通滤波器 ＡＤＳ 全局优化设计方法及其设计流程， 重点阐述 ＡＤＳ 设计流
程中的参数优化、器件仿真、矩量法分析等相关内容。微带带通滤波器实物的性能测试表
明： 通带传输衰减小于 ２．５ｄＢ， 端口反射系数小于－ １５ｄＢ， 阻带衰减接近 ４０ｄＢ， 其物理尺寸
约 ８×２．５×１．５ｃｍ， 基于 ＡＤＳ 优化的微带带通滤波器设计优于传统设计。