發(fā)夾型濾波器的設(shè)計(jì)

在過去的十年中，由于無線個(gè)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(jià)格低廉的濾波器形成了一個(gè)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(gè)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(gè)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(jì)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(jì)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(jì)的基本原理，并利用ADS在微帶濾波器設(shè)計(jì)中的優(yōu)化仿真功能，通過設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)方法。

　　l 發(fā)夾濾波器的綜合設(shè)計(jì)

　　1．1 諧振單元的奇偶模阻抗

　　發(fā)夾型濾波器以開路式對稱耦合微帶單元級聯(lián)而成，如圖l(a)所示，其A矩陣為：

　　其等效電路圖1(b)的A矩陣為：

　　式中，耦合諧振器帶通濾波器的導(dǎo)納倒置器的導(dǎo)納J為：

　　其中，gi為低通原型濾波器元件值，F(xiàn)BW為濾波器相對帶寬。

　　1．2 諧振器的耦合系數(shù)

　　耦合系數(shù)的計(jì)算精確與否直接關(guān)系到濾波器設(shè)計(jì)是否成功。因此，設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，必須完成耦合系數(shù)的計(jì)算。兩個(gè)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。

　　諧振器之間的耦合系數(shù)K可按下列式(5)進(jìn)行計(jì)算：

　　fp1和fp2是當(dāng)兩個(gè)諧振器間的中心面分別被定義為電壁和磁壁時(shí)的諧振頻率。

　　實(shí)際應(yīng)用中，對于級聯(lián)型濾波器，計(jì)算相鄰諧振器間耦合系數(shù)一般使用下面的通用計(jì)算公式：

　　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。

　　抽頭位置l可由式(7)結(jié)合發(fā)夾諧振器的外部耦合系數(shù)式(8)是來確定。

　　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(jì)實(shí)例

　　設(shè)計(jì)一個(gè)5節(jié)發(fā)夾型帶通濾波器，設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)與仿真。在仿真模型中用了3個(gè)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(shí)，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(jì)算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，對設(shè)計(jì)也更有意義，但是它的計(jì)算比較復(fù)雜，需要較長的時(shí)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(shí)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(jì)算與實(shí)際設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)較為簡單等優(yōu)點(diǎn)，在微波平面電路的設(shè)計(jì)中被一致看好，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。利用ADS設(shè)計(jì)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(jì)成本，并比較容易達(dá)到指標(biāo)要求。