基于ADS的一种高指标带通滤波器设计

发布时间:2021-09-21 01:14:27

应用天地

2011 年 4 月 第 30 卷 第 4 期

基于 ADS 的一种高指标带通滤波器设计
陈 凯 宋长宝 李永生
合肥 230037) ( 解放军电子工程学院

摘 要 : 介绍了*行耦合线微带带 通滤波器的基本原理 , 提供了一种基于 A DS 软件设计高指标*行耦合线微带带通滤 波器的 实例和详细设计步骤 , 并给出了仿 真结果以及 A DS 优化步骤和原则。 关键词 : L 波段 ; *行耦合线 ; 微带带通滤波器 ; A DS 中图分类号 : T N 713 文献标识码 : A

Design of advanced bandpass filter based on ADS
Chen K ai Song Changbao L i Yongsheng
( Electronic Eng ineering Institute of PL A, Hefei 230037, China)

Abstract: T he basic theory of parallel coupled m icrostrip bandpass filter is introduced in this paper. H ere, det ails about the st eps and opt im izing process of designing one kind of parallel coupled m icrost rip bandpass filter based on ADS are proposed, w hile t he design exam ple and simulat ion results about designing advanced parallel coupled m icrostrip bandpass filter are provided. Finally, the steps and principle of optim izing process in ADS are given. Keywords: L band; parallel coupled line; microstrip bandpass filter; A DS

0 引



传统的设计方法是通过经验公式和查表来求得相关 设计参数[ 1 2] , 方法复杂烦琐 , 精度不高, 性能指标不尽如 人意。*年来, 随着微波电路辅助设计软件的不断发展, 微带线滤波器的设计也进入了一个崭新的阶段, 可调带通 滤波器 的仿真设计也称为可能。 ADS 仿真设计软件可以模拟整个信号通路, 完成从电路 到系统的各级仿真。它把广泛的经过验证的射频、 混合信号 和电磁设计工具集成到一个灵活的环境中, 包括从原理图到 PCB 板图的各级仿真, 当任何一级仿真结果不理想时, 都可 以回到原理图中重新进行优化, 并进行再次仿真, 直到仿真结 果满意为止, 保证了实际电路与仿真电路的一致性, 它提供了 一种有别于传统*面微带线滤波器的设计方法。 本文介绍了一种高指标的*行耦合线微带滤波器的 详细设计方法、 步骤及优化过程。这一滤波器的仿真实现 必须熟练运用 A DS 软件才可以达到, 这也为实际制作调 试节约了时间。
[ 3]

成, 不要求对地连接, 结构简单, 易于实现, 整个电路可以印 制在很薄的介质基片上。其横截面尺寸比波导、 同轴线结 构小得多, 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。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。 *行耦合线微带带通滤波器的结构如图 1 所示[ 4] , 它 是由若干带通耦合线节相连组成 , 左右对称 , 每一个耦合 线节长度约为 1/ 4 波长 ( 对中心频率而言 ) , 其等效电路如 图 1 下方所示。由等效电路看出 , 它相当于一个导纳倒置 转换器和接在两边的两段电角度为 、 特性导纳为 Y 0 的传 输线段的组合[ 5] 。

1 *行耦合线微带带通滤波器的基本原理
*行耦合线微带带通滤波器是由几节半波长谐振器组
收稿日期 : 2011 1 图1 *行耦合线微带带通滤波器及其等效电路

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这里, 直 接给 出* 行耦 合 线带 通滤 波器 的 设计 公 式[ 6 8] , 而不去讨论这些公式的推导过程。*行耦合线带 通滤波器各耦合单元的奇、 偶模阻抗由下面公式确定: J J 2 1 ZO = 1+ + ( 1) Y0 Y0 Y0 J 2 1 J Z = 1+ ( 2) Y0 Y0 Y0
e Oo

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带带通滤 波器每 节耦合 微带 线的 J 参 量 , 得: J 01 = Y0

其中 Z O 和 Z O 分别表示耦合线段的偶模阻抗和奇模 阻抗 ; J 被称为 J 参量 , 各耦合单元的 J 参量 由下式确 定:
e o

J 01 = Y0 J n, n+ 1 = Y0 Jj, j+ 1 = Y0

W 2g0 g1

( 3)

J 56 J 12 J 45 J 23 J 34 = 0. 2422, = = 0. 0587, = = 0. 0462。 Y0 Y0 Y0 Y0 Y0 代入 ( 1) 式、 ( 2) 式, 求得每节奇、 偶模的特性阻抗分 别为 : Z0e | 1 65. 0 , Z0o | 1 40. 8 ; Z0 e | 2 53. 1 , Z0 o | 2 47. 2 ; Z0 e | 3 52. 4 , Z0o | 3 47. 8 ; Z0e | 4 52. 4 , Z0o | 4 47. 8 ; Z0e | 5 53. 1 , Z0 o | 5 47. 2 ; Z0 e | 6 65. 0 , Z0 o | 6 40. 8 。 2. 3 用 ADS 中 LineCalc 工具计算出*行耦合线的各参 数值 LineCalc 的界面如图 2 所示。

W ( 4) 2g ng n+ 1 W 1 ( j = 1, 2, , n - 1) ( 5) 2 g j g j+ 1 式中: g 为低通原型滤波器参量, W 为带通滤波器相对带 宽, Y 0 为传输线特性导纳。 在得到了奇模阻抗、 偶模阻抗后 , 微带线的长、 宽、 间 隔就可唯一确定 , 利用这一点就可通过计算耦合线段的偶 模阻抗和奇模阻抗来设计*行耦合线带通滤波器。

2 设计实例与步骤
设计要求: 中心频率 f 0 为 2 GH z, 相对带宽 W= 5% (f p 1 = 1. 95 GH z, f p 2 = 2. 05 GH z) , 在 f s2 = 2. 15 GH z 和 f s1 = 1. 85 GH z 上衰减不小于 50 dB( s = 50 dB) , 带内波 纹 0. 5 dB, 通带内衰减 p 小于 3 dB, 输入、 输出的特征阻 抗均 Z0 = 50 , 介质基片的 r= 4. 7, 其厚度 h = 1 m m, 导 体层厚度 35 m 。 2. 1 确定阶数 首先计算滤波器的选择性参量 K 和分辨率参量 K 1 : 1 f - f s1 2. 15 - 1. 85 = s2 = = 3 ( 6) K f p2 - f p1 2. 05 - 1. 95 100 . 1 - 1 1 / 2 105 - 1 1 / 2 1 = = = 317 ( 7) 0. 1 0. 3 10 1 10 - 1 K1 然后代入公式确定阶数 : 1 cosh- 1 K1 n = 6. 45 = 3. 66 ( 8) 1 1. 76 - 1 cosh K 我们这里取 n = 5, 这样更有利于带外抑制。 2. 2 计算每节奇、 偶模的特性阻抗 针对设计指标, 选用 5 阶、 带内波纹为 0. 5 dB 的切比 雪夫低通滤波器原型, 需要 6 节耦合微带线级连, 其低通 原型参数为 : g0 = g6 = 1, g 1 = g 5 = 1. 3394, g2 = g4 = 1. 3370, g 3 = 2. 166。 代入( 3) ~ ( 5) 式计算*行耦合线微
s p

图 2 A DS 中 L ineCalc 工具界面

定义 1~ 6 节耦合节的长度分别为 11~ 16, 宽度分别 为 w 1~ w 6, 间隔分别为 s1~ s6, 则经过计算得到的参数 如表 1 所示:
表1 长度 单位 ( mm) 11 12 13 14 15 16 20. 46 20. 07 20. 06 20. 06 20. 07 20. 46 滤波器各参数的初始值 宽度 单位 ( mm) 间隔 s1 s2 s3 s4 s5 s6 0. 48 2. 15 2. 62 2. 62 2. 15 0. 48 w1 w2 w3 w4 w5 w6 单位 ( mm) 1. 52 1. 75 1. 75 1. 75 1. 75 1. 52

2. 4 仿真与优化 建立工程和设计文件, 插入元件, 并将计算得出的数 值输入到设计的原件中, 插入仿真元件, 如图 3 所示。 设置好参数后开始仿真, 结果如图 4 所示。 由图可见, 所设计的滤波器并没有满足最初的设计要 求, 再插入优化原件进行优化 , 如图 5 所示。

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如果一次优化达不到设计要求 , 可改变优化范围进行 多次优化, 直到达到要求为止。不过优化范围不宜过大, 同一优化范 围可以 进行多次 优化优 化后的参 数如 表 2 所示。
表 2 滤波器各参数优化后的值 长度 单位 ( mm) 11 20. 12 12 13 14 15 16 19. 45 19. 40 19. 40 19. 45 20. 12 宽度 单位 ( mm) s1 0. 67 s2 s3 s4 s5 s6 1. 79 2. 36 2. 36 1. 79 0. 67 间隔 w1 w2 w3 w4 w5 w6 单位 ( mm) 1. 25 2. 13 2. 28 2. 28 2. 13 1. 25 [ 1] [ 2]

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ADS 的优化过程很重要, ADS 优化的步骤及原则: 1) 优化参数的范围不宜设定过大, 在同一个范围可进行多次 优化 ; 2) 如果多次优化效果都不理想, 可以选一次效果相 对较好的参数值更新 , 再进行优化 , 因为在好的参数基础 上的优化会产生更好的效果 ; 3) 如果上两步进行完后, 滤 波器的指标还达不到要求 , 就可以改变参数的优化范围和 最大优化次数再进行优化。
参 考 文 献 清华大学 微带电路 编 写组 . 微带电路 [ M ] . 北 京 : 人 民邮电出版社 , 1976. 金秀梅 , 李民权 , 刘坤 . 应 用于 SA WR FID 中带通滤 波 器的设 计与 仿 真 [ J] . 电 子 测量 技 术 , 2009, 32( 10) : 33 35. [ 3] 周研 , 刘祖 深 , 陈应兵 . 一种新型可调谐微 带带通滤 波 器的设 计 [ J] . 电 子 测 量 与 仪 器 学 报 , 2010, 24( 9) : 866 871. [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] 钟蔚杰 , 杨景曙 . 微带线带通滤 波器的 AD S 辅助设 计 [ J] . 现代雷达 , 2008, 30( 3) : 83 85. 赵义祯 , 覃亚 丽 . *行 耦合微 带线 结构 带通滤 波器 的 设计 [ J] . 舰船电子工程 , 2007, 27( 4) : 90 91. 黄玉兰 . ADS 射频电 路设计 基础与典 型应 用 [ M ] . 北 京 : 人民邮 电出版社 , 2010. 郑冬 , 王志刚 . 基于 A DS 的* 行耦合线带 通滤波器 的 设计 [ J] . 电子产品世界 , 2010, 10: 22 24. 谢涛 , 何怡 刚 . 基于改进 BP 算法的微带射频带 通滤波 器设计 [ J] . 仪器仪表学报 , 2009, 30( 6) : 1317 1322. 作 者 简 介

优化后输出结果如图 6 所示。

图6

优化后的输出结果

可见已满足最初的设计指标, 矩形系数为 3 的带通滤 波器的带外衰减达到 50 dB, 同时通带内衰减也比较好。

陈凯 , 硕士, 主要研究方向为可调带通滤波器的研究 与设计。 宋长宝, 主要研究方向为微带滤波器设计。

3 结束语
利用 ADS 仿真工具设计微带滤波器, 方法理论计算 简单, 能缩短设计周期 , 且设计出的滤波器性能较好, 理论 与设计仿真容易取得期望的一致性。

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