引言

在射頻通信系統中，無論是發射機還是接收機，都需要選擇特定頻率的信號進行處理，濾除其他頻率的干擾信號，這就需要使用濾波電路來分離有用信號和干擾信號。因此，高性能的濾波器對設計一個好的射頻通信系統具有重要意義。微帶電路由于體積小、重量輕、頻帶寬、易于與射頻電路匹配等優點，近年來在濾波電路中得到了廣泛的應用。

本文借助ADS2005a(Advanced Design System)仿真軟件，設計出了一種邊緣耦合的平行耦合線帶通濾波器。

基本原理

邊緣耦合的平行耦合線由兩條相互平行且靠近的微帶線構成。根據傳輸線理論，每條單獨的微帶線都等價為小段串聯電感和小段并聯電容，平行耦合線還需要考慮耦合電容和電感。

每條微帶線的特征阻抗為z0，相互耦合的部分長度為L，微帶線的寬度為W，微帶之間的距離為S，偶模特征阻抗為ZE，奇模特征阻抗為ZO。使用單個單元電路不能獲得良好的頻率特性，可以采用如圖1所示的對稱級聯的方法獲得良好的頻率特性。

級聯微帶帶通濾波電路的主要設計步驟如下：

1．確定濾波器的參數：根據要求的截止頻率ωH和ωL，確定歸一化選擇歸一化低通濾波電路的原型，得到歸一化設計參數g1，g2，＾gN,gN+1。

2．使用g1，g2＾gN，gN+1和BW可以確定帶通濾波器電路中的設計參數耦合傳輸線的奇模和偶模的特征阻抗：
 

3．根據微帶線的偶模和奇模阻抗，按照給定的微帶線路板的參數，使用ADS中的微帶線計算器LineCalc計算得到微帶線的幾何尺寸W、S、L。

4．連接好電路，將計算出的W、S、L輸入，掃描參數為S1.1、S1.2，進行仿真。

5．一般來說，理論值的仿真結果和實際結果都有很大出入，需要進行優化。可以使用Tune工具進行優化，或者采用Optim工具。

6．觀察最終的優化結果，直到達到設計要求。

設計過程

設計要求

中心頻率為5GHz，帶寬為8％，通帶內的紋波為3 d B，要求在5．3GHz處具有不小于30dB的衰減。

微帶電路板參數如下：厚度1．27mm，介質相對介電常數為Er=9．8，相對磁導率為Mur=1，金屬電導率Cond=(S／m)，金屬層厚度T=0．03mm，損耗正切角TanD=0，表面粗糙度Rough=0mm。

計算參數

1、5.3GHz的歸一化頻率為Ω=1．476。根據要求選擇濾波器原型為3dB等紋波切比雪夫低通濾波電路，在Ω=1．476處，具有大于30dB的衰減，查表可知至少需要選擇5階濾波電路，本文即選擇5階濾波電路。對應的歸一化參數為：g0=1．0，g1=g5=3．4817，g2=g4=0．7618,g3=4．538,g6=1．0

2．通過計算可得奇模和偶模阻抗，如表1所示(單位Ω)。

3．根據微帶電路板參數，使用ADS中的微帶線計算器計算得到兩端50Ω的微帶線參數W=1．224760mm，任意選取L為2．5mm。

4．按照圖1連接好電路，將電路圖中微帶電路板及各耦合微帶線的參數設置好，仿真的頻率掃描范圍設置為4GHz～6GHz，掃描步長為10MHz，結果如圖2所示。

從圖2中看出，中心頻率點為4．7GHz，帶寬4．4GHz～4．9GHz，為10．6％。這顯然不符合設計要求，主要是中心頻率點偏移太大(中心頻率點為5GHz，帶寬為8％)，并且通帶內的反射系數較大(5dB)。這些參數與設計目標差距很大，因此需要對其進行優化。

5、采用Optim進行優化，可得到優化后各耦合微帶線的參數。

頻率掃描范圍設置為4．6GHz～5．4GHz，掃描步長為10MHz,結果如圖3所示(選用Maker讀出圖中各點的參數)。

6．由圖3可以看出，經過優化后的濾波器中心頻率為5．0GHz，帶寬為4．8GHz～5．2GHz，為8％，通帶內的反射系數小于20dB，5．3GHz處的衰減達到31．8dB，完全達到了設計要求。

 

結語

本文從邊緣耦合的平行耦合線濾波器的基本原理出發，完整地闡述了一種采用ADS2005a仿真設計微帶帶通濾波器的方法，并通過仿真設計了一個微帶帶通濾波器，從仿真結果來看，這種方法是可行的。