微帶發(fā)夾型濾波器的原理及設(shè)計方法

引言

在過去的十年中，由于無線個人通信及其他可移動接收機(jī)和發(fā)射機(jī)應(yīng)用的迅猛增長為低損耗、小尺寸、重量輕且價格低廉的濾波器形成了一個重要的市場，這為微波濾波器的發(fā)展創(chuàng)造了很好的契機(jī)。微波濾波器作為系統(tǒng)中廣泛使用的無源器件之一，它的性能好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的優(yōu)劣，而微帶濾波器則因其重量輕、成本低、易加工更被看重。微帶濾波器常采用的形式有發(fā)夾型、平行耦合線、梳狀線、交指型和微帶類橢圓函數(shù)濾波器等。但是不同形式的濾波器往往存在著各自的缺陷。例如平行耦合線濾波器由于各平行耦合節(jié)在一個方向上級聯(lián)，故尺寸較大；梳狀線濾波器和交指濾波器則需要過孔接地，這樣在高頻情況下就會不可避免的引入誤差；橢圓函數(shù)濾波器的設(shè)計過程比較復(fù)雜，較難實(shí)現(xiàn)；而發(fā)夾型諧振器通過適當(dāng)?shù)鸟詈贤負(fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的濾波器，一方面，它是半波長耦合微帶線濾波器的一種改良結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較緊湊，易于集成、尺寸較??；另一方面，其耦合線終端開路，無需過孔接地，這消除了過地孔引入的誤差。因此，它具有更好的電性能，因而在微波平面電路的設(shè)計中有著良好的應(yīng)用前景。

本文所研究的就是微帶發(fā)夾型濾波器，根據(jù)微帶濾波器設(shè)計的基本原理，并利用ADS在微帶濾波器設(shè)計中的優(yōu)化仿真功能，通過設(shè)計一個通帶為1．70～1．80G的帶通濾波器，詳細(xì)論述了微帶發(fā)夾型濾波器的通用設(shè)計方法。

1、發(fā)夾濾波器的綜合設(shè)計

1．1 諧振單元的奇偶模阻抗

1．2 諧振器的耦合系數(shù)

耦合系數(shù)的計算精確與否直接關(guān)系到濾波器設(shè)計是否成功。因此，設(shè)計濾波器時，必須完成耦合系數(shù)的計算。兩個發(fā)夾型諧振器之間的耦合根據(jù)諧振器放置的相對位置可分為電耦合、磁耦合和混合耦合三種情況，如圖2所示。諧振器的間距s和相對位置偏移d決定了耦合系數(shù)的大小。

1．3 抽頭位置的確定

抽頭線發(fā)夾諧振器如圖3(a)所示，當(dāng)忽略發(fā)夾型諧振器兩臂間自耦合的影響，可以得到其等效電路如圖3(b)所示。

上兩式中，l是指抽頭線到諧振器中間位置的距離，L=λg／4，R是抽頭線的特性阻抗，Z0是發(fā)夾線的特性阻抗，Ke是發(fā)夾諧振器的外部耦合系數(shù)。

2、設(shè)計實(shí)例

設(shè)計一個5節(jié)發(fā)夾型帶通濾波器，設(shè)計目標(biāo)：中心頻率f0=1．75GHz帶寬為100MHz；帶內(nèi)差損：>一2dB；帶內(nèi)紋波：<0．1dB；帶外抑制：1．60GHz和1．90GHz時衰減<一40dB。選用FR4雙面敷銅板作為基板，厚度h=0．8mm，介電常數(shù)為4．8，損耗正切tanD=le一4，敷銅厚度M=0．035mm。

查表得波紋為0．1dB的5階ChebyShev低通原型濾波器滿足上述指標(biāo)，其元件值為：g0=g6=1、g1=g5=0．7563、g2=g4=1．3049、g3=1．5773。根據(jù)以上參數(shù)，由(3)式和(4)式可得濾波器的奇、偶模阻抗，可由ADS中的linecalc計算出w、s、L的初值，見表1。

由(7)式與(8)式可估算抽頭位置：l=0．223L，這里取l=5．1mm。

根據(jù)以上參數(shù)進(jìn)行Momentunl設(shè)計與仿真。在仿真模型中用了3個優(yōu)化目標(biāo)：1)通帶差損：S(2，1)>一2dB；2)通帶回波損耗：S(1，1)<一20dB；3)阻帶(<1．60GHz且>1．90GMHz)時，S(2，1)<一40dB。經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化后，得到微帶發(fā)夾型濾波器版圖仿真結(jié)果如圖4所示。

3、實(shí)驗(yàn)分析

ADS Momentum仿真是采用矩量法直接對電磁場進(jìn)行計算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，對設(shè)計也更有意義，但是它的計算比較復(fù)雜，需要較長的時間；另外，還要考慮到受加工工藝的限制，在工程上一般要求線寬s和縫隙w要大于0．2mm。優(yōu)化時根據(jù)情況可對優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量的取值范圍、優(yōu)化方法及次數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。從仿真結(jié)果圖可以看出，理論計算與實(shí)際設(shè)計有一定的差值，差損s(2，1)<一16dB，一般工程上要求s(2，1)<一13dB。所以本設(shè)計達(dá)到了工程應(yīng)用的要求。

4 結(jié)束語

微帶發(fā)夾型濾波器具有尺寸小、易集成、成本低、設(shè)計較為簡單等優(yōu)點(diǎn)，在微波平面電路的設(shè)計中被一致看好，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價值。利用ADS設(shè)計方法擺脫了盲目性的人工調(diào)試，大大縮短了研制周期、減少了設(shè)計成本，并比較容易達(dá)到指標(biāo)要求。