平面低通濾波器的簡介與設計方法解析

1.平面低通濾波器簡介

隨著現(xiàn)在微波鏈路越來越高頻化，小型化，直接在鏈路中集成低通的現(xiàn)象越來越普遍。同時很多芯片化的低通也大都是在高介電陶瓷片上實現(xiàn)的微帶濾波器。陶瓷片型的芯片電容，電感，均衡器都需要用到平面低通的設計概念。

常見的低通濾波器在ADS中的模型及結構形式見圖1。

圖1 常見的平面結構低通濾波器

三種結構的優(yōu)缺點對比見表 1，通常對要求比較高的設計時可綜合三種結構的優(yōu)缺點進行折中設計。

表 1 三種結構優(yōu)缺點對比

2.平面低通濾波器設計的理論基礎

本次總結的理論基礎來源于《Microstrip Filters for RF and Microwave Applications 2001》第4/5章，核心理論為圖2的高低阻抗線等效電路。結論是：一段高阻抗線可以等效為電感，一段低阻抗線等效為一個到地電容。（如果理解傳輸線的特征阻抗用微分形式的集總參數(shù)表示為sqrt（L/C），高阻L一定很大，低阻C一定很大，就可以比較形象的理解此等效原理。）

圖2 高低阻抗線等效電路

3.平面低通設計實列

一個平面低通遵循下列設計步驟。

1)規(guī)劃高低阻抗線阻抗，高阻受限于線條加工能力和功率容量，一般小功率應用可以取到0.15mm，低阻寬度受到濾波器尺寸限制，受到長寬比限制。（一般高低阻抗比例越大，寄生通帶越遠，但寄生通帶遠也意味著近端抑制會差，所以設計時可靈活配置各枝節(jié)阻抗，達到寄生通帶和矩形系數(shù)的均衡）

2)ADS建模仿真獲取初始電磁仿真參數(shù)

3)電磁仿真驗證優(yōu)化

本例用一個10GHz的平面低通作為實例，為了方便采用混合結構形式。

1)規(guī)劃高低阻抗線

高低阻抗規(guī)劃要折衷級數(shù)/尺寸以及電性能，在實際設計中有迭代過程。高低阻抗計算有很多工具，這里推薦一個：polar SI9000（可以百度自行搜索），傳輸線特性參數(shù)計算非常實用的工具。本例中高阻選取加工極限0.15mm，低阻折中尺寸和寄生通帶選取1mm寬，通過圖 3計算可以得到1mm線寬的特性參數(shù)（特征阻抗和有效介電常數(shù)）為：W=1mmZ=33歐 Er=（2.98/2.16）^2=1.90 (光速比相速的平方)W=0.15mm Z=96歐Er=1.69

圖3 傳輸線阻抗計算

2)ADS建模

在ADS中建立由高低阻抗傳輸線級聯(lián)的理想電路模型，獲取電磁仿真的初始參數(shù)，個人習慣采用ADS中Tline-ideal中的TlineP，該模型有三個參數(shù)：阻抗/有效介電常數(shù)/長度，前兩個參數(shù)在高低阻抗線規(guī)劃中已經(jīng)獲得，模型建模時只有物理長度一個變量，可以用1/8波長作為初始值，然后通過ADS中的優(yōu)化快速獲取準確的物理長度。詳細的模型見圖 4。

圖4 ADS模型優(yōu)化獲取電磁仿真尺寸

3)Sonnet電磁仿真

所有平面結構的微波器件個人習慣使用sonnet進行仿真，sonnet可以隨意更改結構形狀，很接近實際調試時采用的方法，并且仿真速度非常快，很適合平面結構的電磁仿真。

在sonnet中根據(jù)ADS仿真中獲取的尺寸建立初始電磁仿真模型如圖 5所示。

圖5 sonnet第一次電磁仿真結構和結果

通過電磁仿真可以發(fā)現(xiàn)ADS模型中給出的參數(shù)已經(jīng)非常準確了,在電磁仿真時基本不需要優(yōu)化了。

但ADS中的模型畢竟不能模擬各個短截線間的耦合效應，接頭不連續(xù)效應，根據(jù)經(jīng)驗通常只需要微調下高阻線的長度就可以得到很好的設計結果了。