带通滤波器设计（二阶有源带通滤波器设计）天天观察

2023-04-06 16:32:36来源：互联网

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带通滤波器设计(二阶有源带通滤波器设计)

(相关资料图)

ADS(高级设计系统)用于设计平行耦合微带带通滤波器。为了缩短微带带通滤波器的设计周期，提高其性能，利用ADS中的无源电路设计指南工具，设计了一个中心频率为3.0 GHz，带宽为60 MHz的平行耦合微带带通滤波器。参数优化后，进行了电路版图仿真。仿真结果表明，设计周期短，方法可行，设计的带通滤波器满足各项指标要求。

广告；微带线；带通滤波器；布局模拟

滤波器在无线通信系统中非常重要。它们可以用来分离和组合不同的频率，起到选择频段和通道的作用，可以滤除谐波，抑制杂散。在微波系统中，滤波器的性能在整个电路的设计中起着重要的作用[1]。随着通信技术的发展，由电感、电容等集总元件构成的滤波器已经不能满足高频滤波器的设计要求，而由分布参数元件构成的微带滤波器不仅能满足高频滤波器的设计要求[2]，还具有重量轻、小型化、易于集成在微波集成电路中的特点。

随着市场需求的不断提高，射频电路的应用频率越来越高。为了满足高速信号传输，对电路参数的要求越来越严格，但产品的设计周期越来越短。传统的微带滤波器设计方法是利用经验公式查找微带线的相关参数。因为这个过程繁琐，计算量相当大，数据不准确，容易出错。因此，本文采用美国安捷伦公司引进的ADS软件，可以完成从开始到结束的整个信号通路的仿真以及从原理图到PCB版图的各个层次的仿真。利用ADS软件中的无源电路设计指南工具，可以快速准确地设计出高性能的并行耦合微带带通滤波器[3]。

传输线理论是从分布参数电路理论发展而来的，是一种用来引导电磁能量和信息传输的装置。传输线可以作为传输介质，也可以用来 *** 各种类型的器件。传输线又叫长线，因为它在空之间某一方向的长度与其内部电压电流的波长相近，所以必须考虑它的参数分布特性。微波传输线是一种分布参数电路。线路上的电压和电流是时间和空之间位置的二元函数，它们沿线路的变化可以用传输线方程[4]来描述。

微带线是微波传输线的重要组成部分之一。其几何结构和场结构分别如图1(a)和图1 (b)所示。它由宽度为W、厚度为T的中心导带和金属接地板组成。在导带和接地板之间填充介电常数为εr的均匀电介质。微带线的几何结构并不复杂，但其电场和磁场却相当复杂。微带线上的传输不是严格的TEM波，而是准TEM波。由于介质基片的存在，场的能量主要集中在基片区域，其场分布与TEM波非常接近，故称为准TEM波[5]。

平行微带滤波器的结构如图2所示，其中每段线为半波长谐振器，每段线之间的缝隙为耦合元件，该缝隙的谐振边可以实现宽带耦合[6]。

2设计平行耦合微带带通滤波器。

带通滤波器的设计基于低通滤波器的原型。从低通滤波器到带通滤波器的频率转换公式如下(1):

根据得到的归一化频点ω和滤波器阻带衰减指标，确定带通滤波器的级数，参考阻带衰减指标和带内纹波指标，通过不同的设计方法，找出元件参数，最终得到奇模特性阻抗和偶模特性阻抗，计算公式如公式(2)所示:

其中包括:

最后可以得到微带线的宽度w、长度l和间距s。基于这些理论知识，建立了本文直接使用的ADS无源电路设计指导工具。该方法可以直接给出微带带通滤波器的模型，确定滤波器微带线的数目和尺寸，简单高效。

2.1过滤器的索引

本文设计的微带带通滤波器的指标为:中心频率为3.0 GHz，带宽为60 MHz，带内衰减小于3 dB，端口反射系数小于-15 dB，在2.85 GHz和3.15 GHz频率下阻带衰减大于35 dB。无论是在原理图设计过程中，还是在最终的PCB版图仿真中，所有参数都要满足设计的更低要求。在设计过程中，要考虑到设备的制造精度会影响微带线的宽度W、间隙S和长度L。当微带宽度W的制造精度仅为1 mil时，制造的微带宽度W与仿真的微带宽度之间的误差可能达到0.5 mil，因此实际电路中微带宽度W的变化可能会影响滤波器的性能。此时需要在原理图仿真和版图仿真中反复优化微调微带宽度W、长度L、间距S，观察尺寸稍有变化时滤波器的参数是否稳定。只有所设计的微带带通滤波器稳定可靠，才能投入实际使用。

2.2滤波器模型子电路的生成

在传统的微带滤波器设计方法中，通过查表计算滤波器的个数n，然后确定标准低通滤波器的参数，计算传输线奇数模和偶数模的特性阻抗。最后用ADS工具[7]计算出滤波器微带线的几何尺寸。可以看出，传统的微带线滤波器设计方法是利用经验公式查表等方法得到微带线的相关参数。这个过程繁琐，计算量相当大，数据不准确容易出错。本文介绍的ADS中的无源电路设计指南工具可以解决这些问题。无源电路设计指南工具可以先确定带通滤波器模型的大方向，生成带通滤波器的子电路，然后不断优化。

在“无源电路设计指南”面板中选择“微带耦合线滤波器”作为带通滤波器模型，一个微带滤波器设备将出现在原理图窗口中。在出现的窗口中设定带通滤波器的各种参数。设置好参数后点击设计向导窗口中的设计按钮，初步仿真结果如图3所示。系统原理图中会自动生成一个带通滤波器的子电路，并根据设置的参数计算出滤波器级数、宽度W、槽S和微带线长度L，如图4所示。

从图3可以看出，仿真结果与要求的设计参数相差很大，因为无源电路设计向导工具只能生成一个大致方向的微带带通滤波器模型。这个模型建立后，可以根据需求在后续步骤中反复模拟优化，达到设计目的。

从滤波器模型生成的子电路图可以看出，滤波器的级数为5，各级微带线的宽度W、槽S、长度L都已经计算出来。与传统的滤波器设计方法相比，这种设计方法的周期大大缩短，而且计算数据准确，不存在人工计算误差的可能。

2.3原理图模拟和优化

放置和连接模拟器，微带参数控制，优化参数控制等。根据示意图。连接后的原理图如图5所示。本文选用Rogers R04003C高频电路板材料，由玻璃纤维增强碳氢/陶瓷基板(非聚四氟乙烯)组成[8]。它具有高频性能好、生产成本低、电路板损耗低的特点，还具有许多普通电路板材料不具备的优点，如介电常数和温度系数低。选取的电路板材料参数如下:微带线基片的相对介电常数εr为3.55，损耗角正切tan为0.002 7，微带线基片的厚度h为0.508 mm，微带线的磁导率mur为1。

在设定好介质参数和扫描参数后，进行连续的模拟和优化。图6(a)和(b)显示了优化的S11和S21参数。

实际上，原理图的仿真结果是经过反复优化后的理想结果。从仿真结果可以看出，通带传输衰减在2.97~3.03 GHz小于5 dB，端口反射系数小于-30 dB，阻带衰减在2.85 GHz和3.15 GHz大于35 dB。仿真结果基本满足指标要求，通带传输的衰减参数将在后续的版图仿真中得到改善。

2.4PCB布局仿真和优化

从优化的滤波器电路原理图生成PCB布局，如图7所示。设置所需的微带线和基板参数，增加滤波器的输入输出两个端口，设置仿真参数后进行仿真。在PCB布局仿真中，由于微带线处于高频状态，整个电路会在空 [9]之间产生边缘效应和能量辐射，导致传输损耗较大，仿真结果不如原理图中理想。经过反复调整和优化后的仿真结果如图8(a)和8 (b)所示。

从版图仿真结果可以看出，2.97~3.03 GHz通带传输衰减小于3 dB，端口反射系数小于-15 dB，2.85 GHz和3.15 GHz阻带衰减大于35 dB。版图仿真结果满足设计要求。可以看出，版图仿真结果中端口的反射系数比原理图中的要差。这是因为版图仿真中考虑了微带基板的介电常数和损耗角正切，导致了传输线在传输过程中的介电损耗和能量损耗，但仿真结果完全满足设计要求。

3结束语

本文利用ADS中的无源电路设计向导工具，快速准确地设计平行耦合微带带通滤波器，大大提高了工作效率，缩短了设计周期，避免了人工计算出错的可能。考虑到目前设备制造精度的影响，本文在原理图和版图仿真中反复微调和优化微带线的尺寸，保证了所制造的微带带通滤波器的高可靠性，为后续不同类型滤波器的设计提供了很好的参考。

参考

[1]徐兴福。ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京:电子工业出版社，2011。

[2]张龙。多层介质结构LC带通滤波器的设计与 *** [D].南京:南京邮电大学，2013。

，姚志成，庄，，等.一种新型差分低通滤波电路的设计[J].电子技术的应用，2014，40 (11): 50 52。

廖承恩。微波技术基础[M]。Xi安:西安电子科技大学出版社，1994。

周洋。微波功率合成器的设计与研究[D]。成都:电子科技大学，2007。

甘本健，吴万春。现代微波滤波器的结构与设计[M].北京科学出版社1973年。

、黄卡马、。射频通信电路的设计[M].北京科学出版社2005。

杨伟生。多层微波 *** 的PCB制造研究[J].印刷电路信息，2005(8):47 53。