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平行耦合微带线带通滤波器的设计仿真与测试
作者：徐聪 唐兴
来源：《现代电子技术》2013年第23期
摘 要： 在ADS软件的辅助下，设计出了一种应用于11 GHz频段数字微波传输系统室外单元，中心频率为11 GHz，带宽为1.5 GHz的平行耦合微带线带通滤波器，并进行了实物测试，测试的[S]参数与仿真优化结果及指标要求吻合较好。 关键字： ADS； 平行耦合微带线； 带通滤波器； [S]参数
中图分类号： TN713⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）23⁃0078⁃03 Design simulation and measurement of the parallel coupled microstrip bandpass filter XU Cong， TANG Xing
（Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications， Wuhan 430070， China） Abstract： With the aid of ADS （Advanced Design System）， a parallel coupled microstrip bandpass filter is designed， which can be applied in ODU of digital microwave transmission system with 11 GHz frequency band. The centre frequency of the filter is 11 GHz， the bandwidth is 1.5 GHz. The object was tested and the performance of [S] parameter agree well with the results of the simulation optimization and the design indexes.
Keywords： ADS； parallel coupled microstrip； bandpass filter； [S] parameter 0 引 言
近年来，随着无线通信技术的高速发展，微波射频器件得到了越来越多的应用。滤波器是选择有用信号，抑制无用信号的器件，高频滤波器作为微波射频系统中常用的无源器件之一，其性能好坏直接影响整个系统的性能。微带滤波器具有体积小、性能好、成本低等特点，在微波射频电路系统中得到了广泛的应用。 1 基本原理
微带滤波器中最常用的就是耦合微带线滤波器，它由平行的耦合线节相连组成，构成谐振电路。平行耦合微带传输线由两个平行微带传输线紧靠在一起构成，由于两个传输线之间电磁
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场的相互作用，在两个传输线之间会有功率耦合，使得射频信号通过，阻断低频信号，因此，这种两条平行的微带线就被用来构成带通滤波器单元。
由于单个带通滤波器单元不能提供良好的频率特性，工程应用中经常采用多个耦合线段级联的形式构成带通滤波器。一个典型的微带滤波器结构如图1所示，图2为其等效电路。 图1 典型的微带滤波器结构 图2 滤波器等效电路 2 设计实现 2.1 设计参数
用于11 GHz数字微波传输系统室外单元（ODU）的微带带通滤波器频率已经达到了微波频段，实际仿真及制作起来难度较大，对PCB板材要求也比较高。本文详细介绍了设计微波频段滤波器的方法，最后给出滤波器测试[S]参数与仿真优化结果进行对比。11 GHz滤波器具体设计指标如下： （1）带内波动1 dB；
（2）对8.8 GHz以下衰减不小于50 dB，对12.6 GHz以上衰减不小于30 dB； （3）中心频率为11 GHz，10.38 GHz≤3 dB带宽≤11.62 GHz； （4）输入输出阻抗均为50 Ω。 2.2 仿真设计
不同材料的印刷电路板的介电常数是不同的，从而使计算得到的耦合微带线的参数也不一致。PCB板具体参数如下：基板厚度[H]为20 mil；基板相对介电常数Er为3.66；磁导率Mur为1；金属电导率为1.0E+50；封装高度Hu为（3.9E+34）mil；金属层厚度为0.035 mm。 根据设计指标和归一化频率公式（1），选择[n=4]的3 dB波纹切比雪夫低通原型滤波器，查表可得对应的低通滤波器原型的元件参数为：[g1=3.438 9；g2=][0.748 3；][g3=4.347 1；g4=0.592 0；g5=5.809 5。] [Ω=ωcωU-ωLωωc-ωcω] （1）
利用低通滤波器原型的元件参数和BW可以确定带通滤波器耦合传输线的奇模和偶模特征阻抗：[ZOi，i+1=ZO1-ZOJi，i+1+ZOJi，i+12] （2）
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[ZEi，i+1=ZO1+ZOJi，i+1+ZOJi，i+12] （3）
其中：[J0，1=1ZOπBW2g0g1；Ji，i+1=1ZOπBW2gigi+1；JN，N+1=][1zOπBW2gNgN+1。]
由上面式子计算得到相应的奇模和偶模特征阻抗，见表1。 表1 耦合微带线的奇模、偶模特性阻抗 Ω
[[i]＼&0＼&1＼&2＼&3＼&4＼&[ZOi，i+1]＼&41.230 5＼&45.090 1＼&45.573 1＼&45.090 2＼&41.229 0＼&[ZEi，i+1]＼&63.620 8＼&56.128 4＼&55.390 8＼&56.128 2＼&63.919 5＼&]
再利用ADS自带的LineCalc软件（见图3）可以计算微带线的尺寸，结果见表2。 表2 各节耦合微带线尺寸 mm
[[i]＼&0＼&1＼&2＼&3＼&4＼&[W]＼&0.984 6＼&1.076 9＼&1.083 4＼&1.076 9＼&0.979 1＼&[S]＼&0.238 7＼&0.611 0＼&0.6 6＼&0.611 0＼&0.234 7＼&[L]＼&3.673 2＼&3.632 1＼&3.628 9＼&3.632 1＼&3.674 7＼&] 2.3 原理图仿真结果分析及优化
在ADS中建立好电路，将前面计算得到的[W，S，L]参数输入，进行仿真。其[S]参数扫描曲线图如图4所示，中心频点出现了偏移。一般来说，理论值的仿真结果与实际指标要求差距较大，需要进行优化仿真。
在进行优化仿真时，主要是以滤波器的[S]参数作为优化目标进行优化仿真。[S21（S12）]是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及衰减、起伏全都表现在[S21（S12）]随频率变化曲线的形状上。[S11（S22）]参数是输入、输出端口的反射系数，由它可以换算出输入、输出端的电压驻波比。如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，并且影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。使用ADS中的优化控件Optim进行优化，并用Goal控件设置[S]参数的优化目标。其原理图如图5所示。 图3 ADS LineCalc界面 图4 理论计算值仿真曲线
图5 平行耦合微带线带通滤波器仿真原理图
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经过数次优化和调整，最后确定的数值为：[W1=]0.75 mm；[W2=]0.841 133 mm；[S1=]0.2 mm；[S2=]0.59 mm；[L1=]3.87 mm；[L2=]3.815 mm。
仿真所得[S]参数曲线如图6所示，从图中可以看出，滤波器在带内插损为0.4 dB，带内波动小于0.5 dB，8.8 GHz处的衰减为42 dB，12.6 GHz处的衰减为22.5 dB，各项参数基本都满足了指标要求。
图6 平行耦合微带线带通滤波器仿真结果
原理图仿真是在完全理想的传输特性下进行的，仿真结果并不能准确地反映实际电路板的最终特性，这就需要考虑干扰、耦合、板材等实际因素的影响。因此，根据微带滤波器原理图还要进一步生成版图，在版图的基础上再进行参数修改，使设计的滤波器参数达到指标要求。由优化后的原理图生成的版图如图7所示。 图7 微带线滤波器版图
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，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。所以在版图仿真前要看一下相邻各耦合线节的微带线宽是否相差过大，如果相差过大就会造成原理图和版图仿真有较大的差别，这就需要改变变量初值重新进行优化。
由原理图直接生成的版图仿真指标一般与设计要求有一定差距，所以需要根据版图仿真结果与指标要求的差别来返回原理图中进行相应的参数修改，或者直接在版图中进行参数调整。一般而言，改变W1会影响带内波动大小；改变W2会影响中心频点；改变S1会影响带外衰减；改变S2会影响带内插损；改变L1、L2会影响中心频点。通过不断地调整相应参数，能得到比较好的仿真结果，如图8所示。带内波动及带内插损指标比较好，但是带外抑制指标有一定程度的恶化。 2.4 滤波器测试
将仿真完成后的版图用DXP软件导成电路版图，制成PCB板后，安装到结构件上用网络分析仪对滤波器的各项指标进行测试，测试结果如图9，图10所示。由图可见，实际制成的滤波器带内插损比仿真结果大2 dB左右，带内波动小于0.5 dB，带外衰减与版图仿真结果相差不大。可以应用于11G数字微波传输系统室外单元中。 图8 微带线带通滤波器版图仿真结果 图9 滤波器[S21]参数测试曲线 图10 滤波器[S11]参数测试曲线
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3 结 语
本文运用ADS软件辅助设计了一个实际应用于微波系统的平行耦合微带滤波器，详细说明了设计原理和设计方法，从最后的滤波器实物测试结果可以看到，使用ADS辅助设计方法理论计算简单，能有效地提高工程师的效率，并且所设计的滤波器能够满足实际系统的指标要求。 参考文献
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作者简介：徐 聪 男，19年出生，湖北武汉人，在读硕士研究生。主要研究方向为电磁场与微波技术应用。
唐 兴 男，1988年出生，湖南永州人，在读硕士研究生。主要研究方向为数字通信。
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