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2GH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。

（刃耦合微幣线滤彼器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。

(3)岌夬线带通滤波器4、1/4波长短路短截线滤波器(4)1/4波长您路短戡线湛枝器5、半波长开路短截线滤波器(5)1/2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1mr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CA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Z oe—Z o°= 2Z o；Z oe*Z oo=Z o2。

图1平行擀合蝶帚逋谑陂器结构示嵐图图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）。

$422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卄晋涪-詈）上式中，夕为低通原型的频率变量，心是低通原型的截止频率，是带通滤波器的带边频率，f是带通滤波器的频率变量，釧是带通滤波器的中心频率，M是带通滤波器的相对带宽，它按下式计算:忡土卑王二Lo)o1、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 o ,g i ,g 2 设计公式： J oi二 WY o - 2g o g i 1其中，丫0为传输线特性导纳，J 代表导纳倒置转换器，其余参数W 、二同(1)这样，我们可以得第J 个耦合线节的奇模阻抗 '厂匚打和精模阻抗’八宀 分 别为： <乙。

、卩丿一口 +几“/丫“⑺…“丫訂勺< e)r n〔2哄八=$-[1-打_1/丫卄 站…“八)辽< 7)Y o-(j - 1,2,…、n4* I )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 PUF F 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 o : 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50Q ; 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F由公式(1)计算的一7 = 6，⑷1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， t = 1。

(2) 、计算导纳变换器的归一导纳 由公式(3卜(4卜(5 )计算得：Y 0 二0.316寺二 °.°8‘ Y 二 °.°8‘ Y 二0.3160(3) 、计算各平行耦合线节的奇模和偶模的阻抗 由公式(6卜(7 )计算得：J ，j 1二 W 1 石二 77gg —1(j=1, 2,…，n-1)g n+1，则有以下 (3 )(Z oe )01=( Z oe )34=50*(1+0.316+0.316*0.316)=70.7928 Q ; (Z 00 )01=( Z 00)34=50*(1-0.316+0.316*0.316)=39.1928Q ;(Z 0e )12= ( Z °e )23= 54.32Q ； (Z 0o )12= ( Z 00 )23 = 46.32Q ;(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 71 Q 39 Q 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71 Q ，奇模阻抗为39Q ;“ b clines 54 Q 46 Q 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54 Q ，奇模阻抗为46 Q ;(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◊ 点击坦d ,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Lines-MIcrostrlTLines-Micro striTLines-Printed Circuit Board TLines-StriplineTLines-Suspended Substrate TLines-FinlineTLines-Wave guide TLines-Multilayer Passive-RF Circuit Eqn Based-Linear Eqn Based-Nonlinear Devices-Linear Devices-BJT Devices-Diodes ◊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MSufa◊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。

Deviccs-GaAs Devices-JFET 中选择 Tlines-Microstrip 类，然后在这个类里面分别选择并安放在适当的位置，4个按照图1放好。

OPort Nurn^Tdb —TLI船uh■ ■ *'UB • - • MSuibl • i・ iH=10.0 milEr=Q>£ Mur=^lmil-Trf mil._ T 肿隹=0.RQugh=0 mil1_1 .CZF —*-c □:MCFlL机JnSl_l —- oSub^'MSubT''狛25.D rrrilcLin4 ''pi 1S»10J 0 mil - Subft^'biSubl 11Subd^'^jSuEi 1'Nlum=L«-1pD ;0 rnil出上2百.0 mil"- W=26JD mil -S-1Q.0 miL rMDORi milL=10a.a.miil .和c ：pMcfilOMCFlL CLIM 'rrHI •3=10.0 mil ■ U=1OO..0 Hill .{—]MCFlLCLiilZW^ZS.Q EllU¥=2$rfr mil -railS=t0.0 mil . L» 1,00.0 利,ScliSlF'M3u&1^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中的匚=和~——一，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50Q 的传输线，查表得宽度为1.07mm ）。

Wicrostrip SubstrateMSUBPararrieter Entry ModeInstame Name (name[<start:?top>]) [MSublSelect ParameterH=1 EnnEr=3.0 Mui=1Ccnd=1.0E +50 Hlu=3L9e+034 mi p |mm ▼|Equation Editor...0ptimizationZStalislict/DOE Setup...T-0.(J18 mm TanD=l001 Rcugh=0 mil Condl-^condf GoM2gnd2” Diel1」MeTDieC^'did?1 Hole-'hote"» Display parameter on schematicComponent Options..ResetHelp|H : Substrate thickriessSimulation-S ParamSimulations ParamSimulation-XDB Simulation-Envelope Simulation-Transient Simulation-Instrument Optim/Stat/Yield/DOE Probe Components Data Hems TLines-ldeal TLi n es-M icro s Iri p TLinet-Printed Circuit Board TLines-Stripline TLine 右-Suspended Substral 匕最后单击&按照图2连好线图2滤波器S 参数的仿真电路范围类里面分别选择 j 和■ I 并安放在适当的位置, 点击—I,加2个地端,m —MCFIL••-cum 、5ubst R MSublW=0.846 iTIiTiS=0.2^2 mmL=12.723 himW=1 OAgmrn S=1 4B2mm L? 12.417 mmMSubCUn3 • » •9uh&i?a MSub ：16Ws1l.099mm S=1 402 mm L=12 41 ? hinfl[—• MCFIL •- • CLIH4 -_ subsh'^Subi V^O.B46 mm• MLIN- • • ■TIL? • • • .Subs^MSybl V^1.07 mmNum=2- Z=5Q Ohm.------------ 8=0.292 mm Ls 12.4 mmMSWE ...................................................................................................................... L =12：723 nim ....................... MSub1 • H=l rnm . . . . ......... .............................................. ..... ......................................... .... ......................................... EE MUI=1Cancel.«*50 ' Hu=3.9e*(ii34 mil T=t)10iS mm - •TanD=D.C01 .RouQh=0 mil | 帶S-PARAMETERS. S Param• SP1' 1• Start 1-.5 GHr --. 帥沪義$空& .....................Step=4.QQB02MHZ . ..◊双击图2中的,编辑下面的对话框，设定S 参数仿真的频率中选择Simulation-S_Param 类，然后在这个◊在Data Display 窗口，就是新弹出的窗口中，按 内容S11、S12。