基于ADS的微带线带通滤波器的设计与优化

 产品系列     |      2022-01-07 14:04

  杨振国,王勇,樊高有,陈文昌

  (四川大学 电子信息学院,四川 成都 610065)

摘要:利用ADS(Advanced Design System)设计平行耦合微带线带通滤波器,为了缩短设计周期,提高微带线带通滤波器的性能,采用ADS中的无源电路设计向导工具,设计出了一种中心频率为3.0 GHz、带宽为60 MHz的平行耦合微带线带通滤波器。参数优化后进行电路版图仿真。仿真结果表明,该设计设计周期较短、方法切实可行,设计出的带通滤波器满足各项指标要求。

  关键词:ADS;微带线;带通滤波器 ;版图仿真

0引言

  滤波器在无线通信系统中至关重要,可以用来分开和组合不同的频率,起到频带和信道选择的作用,并且能滤除谐波,抑制杂散。在微波系统中,滤波器性能的好坏对整个电路的设计起着举足轻重的作用[1]。随着通信技术的发展,由电感电容等集总参数总元件构成的滤波器已经不能满足高频段的滤波器设计要求,而由分布参数元件构成的微带线滤波器不仅能满足高频段设计的要求[2],而且在微波集成电路中还具有重量轻、小型化、易于集成等特点。

  随着市场需求的不断提升,射频电路的应用频率变得越来越高,为了满足高速率的信号传输,电路的各项参数要求越来越严,产品的设计周期却越来越短。传统的微带线滤波器设计方法是利用经验公式查表求出微带线的相关参数,由于这个过程很繁琐,计算量相当大,而且数据不精确很容易出错,因此本文使用美国安捷伦(Agilent)公司推出的ADS软件,它能从头到尾完成整个信号通路的模拟和原理图到PCB版图的各级仿真。利用ADS软件中无源电路设计向导工具能够快速、精确地设计出高性能的平行耦合微带线带通滤波器[3]。

1传输线理论

  传输线理论是从分布参数电路理论发展而来的,它是用来引导传输电磁能量和信息的装置。传输线既可以作为传输媒介,也可以用来制作各种类型的器件。传输线又叫作长线,由于它具有在空间某个方向上其长度与其内部电压、电流的波长相比拟的特性,所以必须要考虑其参数分布性的特征。微波传输线是一种分布参数电路,线上的电压和电流是时间和空间位置的二元函数,它们沿线的变化规律可以用传输线方程来描述[4]。

  微带线是微波传输线的重要组成之一,其几何结构和场结构分别如图1(a)、(b)所示,它由一个宽度为w、厚度为t的中心导带和金属接地板组成,导带和接地板之间填充介电常数为εr的均匀介质。微带线的几何结构并不复杂,但是它的电场磁场却相当复杂,在微带线上传输的并不是严格的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]。

图像 001.png

  平行耦合微带线滤波器的结构如图2所示,其中的每一段线都是一个半波长谐振器,每段线之间的间隙是耦合组件,这段间隙的谐振边缘可以实现宽带耦合[6]。

2设计平行耦合微带线带通滤波器

  带通滤波器的设计是以低通滤波器为原型变化得到的,由低通滤波器向带通滤波器频率转换的公式如式(1):

  

  根据求出的归一化频率点Ω和滤波器阻带衰减指标确定带通滤波器的级数,参考阻带衰减和带内波纹指标,采用不同类型的设计方法查出元件参数,最后求出奇模特性阻抗和偶模特性阻抗值,其计算公式如式(2)所示:

  

  其中:

  

  最后可得出微带线的宽度w、长度l、间距s。本文直接采用的ADS中的无源电路设计向导工具是基于这些理论知识建立起来的,这种方法能直接给出微带线带通滤波器的模型,可以确定滤波器微带线的级数和尺寸,简单高效。

  2.1滤波器的指标