摘要：本文介紹一種在理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用ADS軟件對(duì)射頻濾波器進(jìn)行優(yōu)化及仿真的方法，重點(diǎn)闡述射頻濾波器的方案設(shè)計(jì)過(guò)程中的優(yōu)化設(shè)計(jì)、器件仿真以及矩量法分析等相關(guān)內(nèi)容。射頻濾波器的測(cè)試結(jié)果表明其通帶內(nèi)波紋小于3dB,帶內(nèi)輸入輸出端口反射系數(shù)小于-20 dB,阻帶衰減大于40 dB,相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，本方案中的設(shè)計(jì)方法具有可行性和有效性。

　　0 引言

　　射頻濾波器在無(wú)線通信系統(tǒng)中至關(guān)重要，起到頻帶和信道選擇的作用，并且能濾除諧波，抑制雜散。事實(shí)上，對(duì)于大多數(shù)現(xiàn)代濾波器的設(shè)計(jì)，射頻/微波模擬軟件是一個(gè)必要的、評(píng)估濾波器性能的工具。美國(guó)安捷倫（Agilent）公司推出的大型EDA軟件Advanced DesignSystem-ADS就是其中的佼佼者，也是國(guó)內(nèi)各大學(xué)和研究所在微波電路和通信系統(tǒng)仿真方面使用多的軟件之一。本文在理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用ADS軟件對(duì)耦合微帶線帶通濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了方案設(shè)計(jì)的和方案設(shè)計(jì)的效率。

　　1 理論設(shè)計(jì)

　　1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

　　耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下所示：

　　（1）通帶頻率范圍：902~928 MHz,中心頻率為915 MHz;

　?。?）帶內(nèi)波紋小于3 dB;

　?。?）阻帶損耗：850 MHz以下及950 MHz以上衰減大于40 dB;

　　（4）帶內(nèi)輸入/輸出端口反射系數(shù)小于-20 dB.

　　耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)采用FR-4作為基片材料，基片參數(shù)為：d=1.6 mm,Er=4.5,tan δ=0.02,銅導(dǎo)體的厚度t=0.035 mm.

　　1.2 理論計(jì)算

　　當(dāng)頻率達(dá)到或接近GHz時(shí)，濾波器通常由分布參數(shù)元件構(gòu)成，分布參數(shù)不僅可以構(gòu)成低通濾波器，而且可以構(gòu)成帶通和帶阻濾波器。平行耦合微帶傳輸線由兩個(gè)無(wú)屏蔽的平行微帶傳輸線緊靠在一起構(gòu)成，由于兩個(gè)傳輸線之間電磁場(chǎng)的相互作用，在兩個(gè)傳輸線之間會(huì)有功率耦合，這種傳輸線也因此稱為耦合傳輸線。平行耦合微帶線可以構(gòu)成帶通濾波器，這種濾波器是由1 4波長(zhǎng)耦合線段構(gòu)成，是一種常用的分布參數(shù)帶通濾波器。當(dāng)兩個(gè)無(wú)屏蔽的傳輸線緊靠一起時(shí)，由于傳輸線之間電磁場(chǎng)的相互作用，在傳輸線之間會(huì)有功率耦合，這種傳輸線稱之為耦合傳輸線。根據(jù)傳輸線理論，每條單獨(dú)的微帶線都等價(jià)為小段串聯(lián)電感和小段并聯(lián)電容。每條微帶線的特性阻抗為Z0,相互耦合的部分長(zhǎng)度為L(zhǎng),微帶線的寬度為W,微帶線之間的距離為S,偶模特性阻抗為Ze,奇模特性阻抗為Z0.單個(gè)微帶線單元雖然具有濾波特性，但其不能提供陡峭的通帶到阻帶的過(guò)渡。如果將多個(gè)單元級(jí)聯(lián)，級(jí)聯(lián)后的網(wǎng)絡(luò)可以具有良好的濾波特性。濾波器設(shè)計(jì)首先要選擇適當(dāng)?shù)牡屯V波器原型，濾波器的階數(shù)可以根據(jù)950 MHz頻率點(diǎn)的衰減大于40 dB的要求確定。利用帶通濾波器頻率變換公式如下：

　　要在低通濾波器原型的相應(yīng)歸一化頻率點(diǎn)Ω=2.64處獲得40 dB的衰減，濾波器的階數(shù)至少為N=4,則需要采用5節(jié)耦合微帶線級(jí)連。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)中需要的衰減和波紋，選定采用切比雪夫設(shè)計(jì)方法，則可知具有3 dB波紋的4階切比雪夫?yàn)V波器的元件參數(shù)為g0=1,g1=3.438 9,g2=0.748 3,g3=4.347 1,g4=0.592 0,g5=5.809 5.

　　耦合微帶線帶通濾波器中傳輸線的奇模、偶模通過(guò)公共接地板產(chǎn)生耦合效應(yīng)，并導(dǎo)致了奇模特性阻抗和偶模特性阻抗，其公式分別如下所示：

　　對(duì)于平行耦合微帶線而言，利用ADS軟件中的工具LineCalc,可以進(jìn)行物理尺寸和電參數(shù)之間的數(shù)值計(jì)算，根據(jù)計(jì)算所得平行耦合微帶線奇模和偶模的特性阻抗，計(jì)算平行耦合微帶線導(dǎo)體帶的角度和間隔距離。由上述特性阻抗，可得微帶線的實(shí)際尺寸如表1所示。

　　2 ADS 優(yōu)化仿真

　　2.1 方案設(shè)計(jì)的原理圖

　　利用計(jì)算所得尺寸，建立如圖1所示原理圖，并進(jìn)行仿真。

　　由圖2的仿真結(jié)果可以看出，850 MHz及950 MHz以上衰減大于60 dB,符合設(shè)計(jì)要求，但是902~928 MHz之間的衰減過(guò)大，不符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，需進(jìn)一步優(yōu)化。

　　2.2 優(yōu)化仿真

　　方案在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要是以濾波器的S 參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真。S2（1 S12）是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在S21（S12）隨頻率變化曲線的形狀上。S1（1 S22）參數(shù)是輸入/輸出端口的反射系數(shù)，由它可以換算出輸入/輸出端的電壓駐波比。

　　如果反射系數(shù)過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致反射損耗增大，并且影響系統(tǒng)的前后級(jí)匹配，使系統(tǒng)性能下降。常用的優(yōu)化方法有Random和Gradient,隨機(jī)法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。因此，在具體的設(shè)計(jì)中，首先適當(dāng)放寬各個(gè)參數(shù)的取值范圍，采用隨機(jī)法進(jìn)行優(yōu)化，而后參照之前隨機(jī)法優(yōu)化結(jié)果，適當(dāng)縮小各個(gè)參數(shù)的取值范圍，進(jìn)而采用梯度法再次優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置如圖3所示。優(yōu)化后的原理圖仿真結(jié)果如圖4所示。由圖3,圖4可看出，優(yōu)化后的尺寸可以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。之后可以進(jìn)行版圖仿真。

　　2.3 版圖仿真

　　原理圖的仿真實(shí)在完全理性的狀態(tài)下進(jìn)行的，而實(shí)際電路板的制作往往與理論有較大的差距，這就需要考慮干擾、耦合等因素的影響。因此需要在ADS中進(jìn)一步對(duì)版圖仿真。

　　用于生成版圖的原理圖如圖5所示。

　　版圖仿真結(jié)果與原理圖仿真結(jié)果有所不同，它與原理圖仿真的方式不同，更為嚴(yán)格，因此很有可能仿真出的結(jié)果不符合要求，需返回到原理圖進(jìn)行再次優(yōu)化之后，再進(jìn)行版圖的仿真，直到仿真結(jié)果可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求為止。版圖的仿真結(jié)果如圖7所示，由圖可以看出，設(shè)計(jì)出的尺寸符合方案設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　射頻帶通濾波器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法大多是通過(guò)圖表查詢和曲線擬合來(lái)完成的，不但工作量大，而且設(shè)計(jì)不高。本文在理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用ADS軟件對(duì)射頻濾波器進(jìn)行優(yōu)化及仿真，進(jìn)而依據(jù)方案設(shè)計(jì)的結(jié)果加工制作射頻濾波器器件，既減輕了方案設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了設(shè)計(jì)周期，又提高了方案設(shè)計(jì)和效率。測(cè)試結(jié)果表明，此方案中所運(yùn)用的射頻濾波器設(shè)計(jì)方法是可行的和有效的。