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(多图) 基于ADS仿真设计的微带带通滤波器

来源:电子设计应用/作者:西南交通大学理学院 韩持宗 朱静?? 2007年11月13日 ?? 收藏0

  引言

  在射频通信系统中,无论是发射机还是接收机,都需要选择特定频率的信号进行处理,滤除其他频率的干扰信号,这就需要使用滤波电路来分离有用信号和干扰信号。

  因此,高性能的滤波器对设计一个好的射频通信系统具有重要意义。微带电路由于体积小、重量轻、频带宽、易于与射频电路匹配等优点,近年来在滤波电路中得到了广泛的应用。

  本文借助ADS2005a(Advanced Design System)仿真软件,设计出了一种边缘耦合的平行耦合线带通滤波器。

  基本原理

  边缘耦合的平行耦合线由两条相互平行且靠近的微带线构成。根据传输线理论,每条单独的微带线都等价为小段串联电感和小段并联电容,平行耦合线还需要考虑耦合电容和电感。

  每条微带线的特征阻抗为z0,相互耦合的部分长度为L,微带线的宽度为W,微带之间的距离为S,偶模特征阻抗为ZE,奇模特征阻抗为ZO。使用单个单元电路不能获得良好的频率特性,可以采用如图1所示的对称级联的方法获得良好的频率特性。

5阶带通滤波电路

  级联微带带通滤波电路的主要设计步骤如下:

  1.确定滤波器的参数:根据要求的截止频率ωH和ωL,确定归一化选择归一化低通滤波电路的原型,得到归一化公式设计参数g1,g2,^gN,gN+1。

  2.使用g1,g2^gN,gN+1和BW可以确定带通滤波器电路中的设计参数耦合传输线的奇模和偶模的特征阻抗:

公式

  3.根据微带线的偶模和奇模阻抗,按照给定的微带线路板的参数,使用ADS中的微带线计算器LineCalc计算得到微带线的几何尺寸W、S、L。

  4.连接好电路,将计算出的W、S、L输入,扫描参数为S1.1、S1.2,进行仿真。

  5.一般来说,理论值的仿真结果和实际结果都有很大出入,需要进行优化。可以使用Tune工具进行优化,或者采用Optim工具。

  6.观察最终的优化结果,直到达到设计要求。

  设计过程

  设计要求

  中心频率为5GHz,带宽为8%,通带内的纹波为3 d B,要求在5.3GHz处具有不小于30dB的衰减。

  微带电路板参数如下:厚度1.27mm,介质相对介电常数为Er=9.8,相对磁导率为Mur=1,金属电导率Cond=(S/m),金属层厚度T=0.03mm,损耗正切角TanD=0,表面粗糙度Rough=0mm。

  计算参数

  1、5.3GHz的归一化频率为Ω=1.476。根据要求选择滤波器原型为3dB等纹波切比雪夫低通滤波电路,在Ω=1.476处,具有大于30dB的衰减,查表可知至少需要选择5阶滤波电路,本文即选择5阶滤波电路。对应的归一化参数为:g0=1.0,g1=g5=3.4817,g2=g4=0.7618,g3=4.538,g6=1.0

  2.通过计算可得奇模和偶模阻抗,如表1所示(单位Ω)。

奇模和偶模阻抗

  3.根据微带电路板参数,使用ADS中的微带线计算器计算得到两端50Ω的微带线参数W=1.224760mm,任意选取L为2.5mm。

  4.按照图1连接好电路,将电路图中微带电路板及各耦合微带线的参数设置好,仿真的频率扫描范围设置为4GHz~6GHz,扫描步长为10MHz,结果如图2所示。

理论计算值的模拟结果

  从图2中看出,中心频率点为4.7GHz,带宽4.4GHz~4.9GHz,为10.6%。这显然不符合设计要求,主要是中心频率点偏移太大(中心频率点为5GHz,带宽为8%),并且通带内的反射系数较大(5dB)。这些参数与设计目标差距很大,因此需要对其进行优化。

  5、采用Optim进行优化,可得到优化后各耦合微带线的参数。

  频率扫描范围设置为4.6GHz~5.4GHz,扫描步长为10MHz,结果如图3所示(选用Maker读出图中各点的参数)。

优化后的模拟结果

  6.由图3可以看出,经过优化后的滤波器中心频率为5.0GHz,带宽为4.8GHz~5.2GHz,为8%,通带内的反射系数小于20dB,5.3GHz处的衰减达到31.8dB,完全达到了设计要求。

  结语

  本文从边缘耦合的平行耦合线滤波器的基本原理出发,完整地阐述了一种采用ADS2005a仿真设计微带带通滤波器的方法,并通过仿真设计了一个微带带通滤波器,从仿真结果来看,这种方法是可行的。


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