维普资讯 http://www.cqvip.com ４２ 平行耦合微带滤波器设计与实现 Ｏ八一科技 平行耦合微带滤波器设计与实现 臬 琦 （电子科技大学 成都６１００５４） 摘要：本文的目标是设计制作一个中心频率为３．０ＧＨｚ，通＠２００ＭＨｚ。插 入损耗小于３．５ｄＢ的微带带通滤波器。本文首先阐述了微带滤波器的工作原理、 设计方法，接着介绍了该微带滤波器的设计过程。最后给出实４ｈ￣＇ｌ试结果。 关键词：微带滤波器 带通ＡＤＳ切比雪夫 平行耦合 １ 微带滤波器的工作原理、设计方法 滤波器是一种二端口网络。它具有选择频率的特性，即可以让某些频率顺利通过。而 对其它频率则加以阻拦，目前由于在雷达、微波、通讯等部门，多频率工作越来越普遍。 对分隔频率的要求也相应提高；所以需用大量的滤波器。在低频部分。将逐渐为有源滤波 器和陶瓷滤波器所替代。在高频部分也出现了许多新型的滤波器，例如：螺旋振子滤波 器、微带滤波器、交指型滤波器等等。 微带滤波器和波导、同轴线等其它微波滤波器的主要区别只在于传输线形式的不同 其主要特点是相同的，如均采用半集中参数或分布参数结构。另外。集总参数滤波器和微 波滤波器的一些基本概念和基本设计方法是相同的。但是微带滤波器有它自身的特点。 它的主要优点是平面上作图和制版方便，易于加工，所以能广泛应用各种变阻抗形式 和耦合微带线形式；主要缺点在于由于微带线的损耗大Ｑ值相对低，结构不便调整。 微带滤波器作为一种体积小、重量轻和高可靠的微波集成电路（ＭＩＣ），在电子系统尤 其是近代航空航天技术中被广泛使用。微带线结构如图ｌ： 图１微带线 维普资讯 http://www.cqvip.com Ｏ八一科技 平行耦合微带滤波器设计与实现 ４３ ２微带滤波器的设计与仿真优化 本文在设计和仿真过程中使用的是ＡＤＳ，在原理计算中使用的是Ａｎｓｏｆｉ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ，制 版使用的是ＡｕｔｏＣＡＤ。 设计指标如下：一中心频率３．０ ＧＨｚ，通带２．９—３．１ＧＨｚ，带内衰减小于２ｄＢ，起伏小 于ｌｄＢ，２．８ＧＨｚ以下及３．４ＧＨｚ以上衰减大于４０ｄＢ。选用介质Ｅｒ＝１０，铜薄厚Ｔ＝ ０．０２０５ｍｍ，基片厚Ｈ＝０．７９ｍｍ。选择切比雪夫设计法。原因在于它比最大平坦度方法更为 经济、合理。它虽然以通带内衰减波纹的代价换取了通带外衰减值上升的陡峭度。但是因 为在通带内规定了衰减值不超过指标值Ｌｒ。只要满足此条件。衰减在通带内不论怎样变 化都无关紧要，不影响滤波器在通带工作指标。因此它是恰当处理滤波器主要矛盾的实用 设计方法。平行耦合的优点是结构简单，制作容易，缺点是频率较低时占用基片面积大。 在低频应用时，缩小基片占用面积的途径有二，一是用高介电系数的基片，二是把平行耦 合结构改为发夹型结构。经过以上分析。考虑到３．０Ｇ Ｈｚ的设计频率较高。再考虑到Ｅｒ－ １０的介电系数也是较高的，经过大略的计算，基片面积在６０ｍｍｘｌ０ｍｍ以内，不会出现 基片面积过大的问题，因此采用行耦合方式。 （１１参数的软件计算 由于使用理论公式计算冗长容易出现差错。所以要再结合软件计算。本人学习并使用 了Ａｎｓｏｆｌ公司的Ａｎｓｏｆｌ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ来做微波参数计算。通过介质参数、选择好的阶数、切比 雪夫原型、平行耦合方式、中心频率和带宽，该软件能计算出奇模偶模阻抗、微带耦合线 物理参数，十分快捷，理论值准确。但是软件计算只是在理论意义上的，所以还应该考虑 到微带线自身的损耗和终端电容效应等一些实际问题。 ； ％ ． 罐譬撼 ！。 ｚ 毓； 端 强’ 龋 ｛辜 尊砖’毽 辔 蚌 曾鲁 链｜，毽醢Ｉ 菇 懿鞫麓麓醴赣黼酾蛹 鞠黼鞫鞫—— — — ——— —— —— 掰 ， ｌｊ。 。。 。ｔ。 一 。一 一 蔫 …鞫 ； 一￡＝＝｝…口鬈 ｊ｛强 豳 口… 口 Ｅ卜三ｉ ＝ ∞ ～ ” 强 ｝ 图２ Ａｎｓｏｆｔ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ微带耦合线参数计算结果图 前后端的作引出线的微带传输线计算使用的是ＡＤＳ里的ＬｉｎｅＣａｌｅ工具，由中心频率、 ５０欧的特性阻抗、９０度的相位延迟三个参数计算出微带传输线的长、宽两个参数．大致 取为５ｍｍ和０．７２９５ｍｍ。 维普资讯 http://www.cqvip.com 平行耦合微带滤波器设计与实现 Ｏ八一科技 （２）仿真 在设计中必须进行仿真，用软件来检验设计是否达到要求。 仿真拓扑原理图如下： 图３微带滤波器的拓扑原理图 （３）优化 在仿真模型中用了四个优化目标，依次分别是： 优化通带内的Ｓ（２，１），设定为一１．８ｄｂ到一１．０ｄｂ．优化通带内的传输系数，传输系数越 大衰减越小，要保证通带内的衰减在２ｄｂ以内。 优化通带内的Ｓ（１，１），设定为一５０ｄｂ到一２０ｄｂ．优化通带内的反射系数。 反射系数越 大衰减越小，同样是为了保证通带内的衰减在２ｄｂ以内。 优化低端阻带内的Ｓ（２，１），设定为２．５ＧＨｚ以前达到６０ｄｂ衰减以上。 最大值定为 ８０ｄｂ即可。 优化高端阻带内的Ｓ（２，１），设定为３．５ＧＨｚ以后达到５０ｄｂ衰减。 由于原理图仿真和实际情况会有一定的偏差，在设定优化参数时可以适当增加通带宽 度。对于其它的参数，也可以根据优化的结果进行一定的调整。 ３．微带滤波器的实现和测试 经上一部分设计过程，然后反复仿真、优化、修改得到一组接近指标的参数。然后需 要进行的是版图的制作，并进行版图仿真来检验。最终将可靠的物理数据绘制成图交付生 产。 （１）版图的仿真 版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确． 维普资讯 http://www.cqvip.com Ｏ八一科技 平行耦合微带滤波器设计与实现 ４５ 但是它的计算比较复杂，需要较长的时间，在此作为对原理图设计的验证。 图４版图仿真结果 （２）实物测试 加工出印制板后，就可以进入测试阶段。 图５测试曲线 维普资讯 http://www.cqvip.com ４６ 平行耦合微带滤波器设计与实现 Ｏ八一科技 从曲线读数据，并将测试结果记录如下： 中心频率：３．１５２２ＧＨｚ 插入损耗：３．１５ｄｂ 通带内波纹起伏：≤ｌｄｂ ３ｄｂ带宽：３．０２６６ｄｂ——３．２６２７ｄｂ 阻带抑制： 频率（ＧＨｚ１ ２．７ ２．８５ ３．４５ ３．６ 读数（ｄｂ） －３６．５ －２９．５ －２３ ．．３４ 寄生通带：在６．４ＧＨｚ处，有２７ｄｂ的衰减。 测试结果分析： 测试结果中一点不理想的地方：中心频率向右偏移了１５０ＭＨｚ，相对偏移量为５％。 考虑原因如下：Ａ．由于尚未制作腔体导致测试环境不稳定，可进一步加腔体后再测试；Ｂ． 尽管ＡＤＳ被一致认为在无源电路仿真上很出色，但是作为一种软件仿真误差是不可避免 的。Ｃ．理论中可能还存在不完善的地方。Ｄ．受材料品质的限制。 其余设计参数均达到了要求。 总体来看，设计达到要求。验证了设计理论是可靠的，方案具有一定的可行性。 参考文献 １．张玉兴．射频模拟电路．电子科技大学出版社 ２．［美】Ｒｅｉｎｈｏｌｄ Ｌｕｄｗｉｇ＆Ｐａｖｅｌ Ｂｒｅｔｃｈｋｏ．ＲＦ Ｃｉｒｃｕｉｔ ＤｅｓｉｇｎＴｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．电 子工业出版社 ３．黄香馥．陈天麒，张开智．微波固体电路．电子科技大学出版社 ４．『美１阿瑟Ｂ威廉斯喻春轩等译．电子滤波器设计手册．电子科技大学出版社 ５．［美】Ｕｌｉｒｃｈ．Ｌ．Ｒｏｒｌｅ＆Ｄａｖｉｄ，Ｐ Ｎｅｗｋｉｒｋ．ＲＦ－ＭＷ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｐｐｌｉ— ｃａｔｉｏｎｓ．Ａ ＷＩＬＥＹ—ＩＮＴＥＲＳＣＩＥＮＣＥ ＰＵＢＬＩＣＡＴＩＯＮ ＪＯＨＮ ＷＩ ＬＥＹ＆ＳＯＮＳ．ＩＮＣ． ６．Ｊｉａ－Ｓｈｅｎｇ Ｈｏｎｇ。Ｍ．Ｊ．Ｌａｎｃａｓｔｅｒ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ｆｉｌｔｅｒｓ ｆｏｒＲＦ／Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ａ ＷＩＬＥＹ—ＩＮＴＥＲＳＣＩＥＮＣＥ ＰＵＢＬＩＣＡＴＩＯＮ ＪＯＨＮ ＷＩＬＥＹ＆ＳＯＮＳ．ＩＮＣ． ７．张开智高英．新型微带滤波器及其ＣＡＤ技术．电子科技大学学报１９９８年８月第２４ 卷增刊２ ８．曾令儒余玉材．微带带通滤波器的设计方法．微波学报１９９６年６月１２卷第２期 作者简介 朱琦。电子科技大学在读硕士。