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Z

0e －Z

0o

＝2Z

；Z

0e

*Z

0o

=Z

2。

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）。

$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：

'

1

10001

g g 2W

Y J ωπ= ( 3 )

1

j j '101j ,j g g 1

2W Y J ++•

ωπ= (j=1，2，…，n-1) ( 4 )

'

1

1n n 01

n ,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。

$ 滤波器的理论设计

设计指标： 中心频率f 0：；

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 ＝上衰减46dB ；

选用纹波系数为的切比雪夫原型。 （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的切比雪夫原型的元件数值表的：

g0＝1，g1＝，g2＝，g3＝，g4＝1，'1ω＝1。 （2）、计算导纳变换器的归一导纳