摘要：在ADS軟件的輔助下，設(shè)計出了一種應(yīng)用于11 GHz頻段數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)室外單元，中心頻率為11 GHz,帶寬為1.5 GHz的平行耦合微帶線帶通濾波器，并進行了實物測試，測試的S 參數(shù)與仿真優(yōu)化結(jié)果及指標(biāo)要求吻合較好。

　　0 引言

　　近年來，隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，微波射頻器件得到了越來越多的應(yīng)用。濾波器是選擇有用信號，抑制無用信號的器件，高頻濾波器作為微波射頻系統(tǒng)中常用的無源器件之一，其性能好壞直接影響整個系統(tǒng)的性能。微帶濾波器具有體積小、性能好、成本低等特點，在微波射頻電路系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　1 基本原理

　　微帶濾波器中常用的就是耦合微帶線濾波器，它由平行的耦合線節(jié)相連組成，構(gòu)成諧振電路。平行耦合微帶傳輸線由兩個平行微帶傳輸線緊靠在一起構(gòu)成，由于兩個傳輸線之間電磁場的相互作用，在兩個傳輸線之間會有功率耦合，使得射頻信號通過，阻斷低頻信號，因此，這種兩條平行的微帶線就被用來構(gòu)成帶通濾波器單元。

　　由于單個帶通濾波器單元不能提供良好的頻率特性，工程應(yīng)用中經(jīng)常采用多個耦合線段級聯(lián)的形式構(gòu)成帶通濾波器。一個典型的微帶濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為其等效電路。

　　2 設(shè)計實現(xiàn)

　　2.1 設(shè)計參數(shù)

　　用于11 GHz數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)室外單元（ODU）的微帶帶通濾波器頻率已經(jīng)達到了微波頻段，實際仿真及制作起來難度較大，對PCB板材要求也比較高。本文詳細介紹了設(shè)計微波頻段濾波器的方法，給出濾波器測試S 參數(shù)與仿真優(yōu)化結(jié)果進行對比。11 GHz濾波器具體設(shè)計指標(biāo)如下：

　　（1）帶內(nèi)波動1 dB;

　?。?）對8.8 GHz以下衰減不小于50 dB,對12.6 GHz以上衰減不小于30 dB;

　　（3）中心頻率為11 GHz,10.38 GHz≤3 dB 帶寬≤11.62 GHz;

　?。?）輸入輸出阻抗均為50 Ω。

　　2.2 仿真設(shè)計

　　不同材料的印刷電路板的介電常數(shù)是不同的，從而使計算得到的耦合微帶線的參數(shù)也不一致。PCB板具體參數(shù)如下：基板厚度H 為20 mil;基板相對介電常數(shù)Er為3.66;磁導(dǎo)率Mur為1;金屬電導(dǎo)率為1.0E+50;封裝高度Hu為（3.9E+34）mil;金屬層厚度為0.035 mm.

　　根據(jù)設(shè)計指標(biāo)和歸一化頻率公式（1），選擇n = 4 的3 dB 波紋切比雪夫低通原型濾波器，查表可得對應(yīng)的低通濾波器原型的元件參數(shù)為：g1 = 3.438 9 ; g2 =0.748 3 ; g3 = 4.347 1 ; g4 = 0.592 0 ; g5 = 5.809 5.

　　由上面式子計算得到相應(yīng)的奇模和偶模特征阻抗，見表1.表2是各節(jié)耦合微帶線尺寸。

　　2.3 原理圖仿真結(jié)果分析及優(yōu)化

　　如圖3所示，為ADS Line Calc的界面。在ADS中建立好電路，將前面計算得到的W,S,L 參數(shù)輸入，進行仿真。

　　其S 參數(shù)掃描曲線圖如圖4所示，中心頻點出現(xiàn)了偏移。一般來說，理論值的仿真結(jié)果與實際指標(biāo)要求差距較大，需要進行優(yōu)化仿真。

　　在進行優(yōu)化仿真時，主要是以濾波器的S 參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進行優(yōu)化仿真。S21（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。S11（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)過大，就會導(dǎo)致反射損耗增大，并且影響系統(tǒng)的前后級匹配，使系統(tǒng)性能下降。使用ADS中的優(yōu)化控件Optim進行優(yōu)化，并用Goal控件設(shè)置S 參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)。其原理圖如圖5所示。

　　經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化和調(diào)整，確定的數(shù)值為：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 參數(shù)曲線如圖6 所示，從圖中可以看出，濾波器在帶內(nèi)插損為0.4 dB,帶內(nèi)波動小于0.5 dB,8.8 GHz處的衰減為42 dB,12.6 GHz處的衰減為22.5 dB,各項參數(shù)基本都滿足了指標(biāo)要求。

　　原理圖仿真是在完全理想的傳輸特性下進行的，仿真結(jié)果并不能準(zhǔn)確地反映實際電路板的終特性，這就需要考慮干擾、耦合、板材等實際因素的影響。因此，根據(jù)微帶濾波器原理圖還要進一步生成版圖，在版圖的基礎(chǔ)上再進行參數(shù)修改，使設(shè)計的濾波器參數(shù)達到指標(biāo)要求。由優(yōu)化后的原理圖生成的版圖如圖7所示。

　　版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計算比較復(fù)雜，需要較長的時間，在此作為對原理圖設(shè)計的驗證。

　　所以在版圖仿真前要看一下相鄰各耦合線節(jié)的微帶線寬是否相差過大，如果相差過大就會造成原理圖和版圖仿真有較大的差別，這就需要改變變量初值重新進行優(yōu)化。

　　由原理圖直接生成的版圖仿真指標(biāo)一般與設(shè)計要求有一定差距，所以需要根據(jù)版圖仿真結(jié)果與指標(biāo)要求的差別來返回原理圖中進行相應(yīng)的參數(shù)修改，或者直接在版圖中進行參數(shù)調(diào)整。一般而言，改變W1 會影響帶內(nèi)波動大??；改變W2會影響中心頻點；改變S1會影響帶外衰減；改變S2會影響帶內(nèi)插損；改變L1、L2會影響中心頻點。通過不斷地調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，能得到比較好的仿真結(jié)果，如圖8所示。帶內(nèi)波動及帶內(nèi)插損指標(biāo)比較好，但是帶外抑制指標(biāo)有一定程度的惡化。

　　2.4 濾波器測試

　　將仿真完成后的版圖用DXP軟件導(dǎo)成電路版圖，制成PCB板后，安裝到結(jié)構(gòu)件上用網(wǎng)絡(luò)分析儀對濾波器的各項指標(biāo)進行測試，測試結(jié)果如圖9,圖10所示。由圖可見，實際制成的濾波器帶內(nèi)插損比仿真結(jié)果大2 dB 左右，帶內(nèi)波動小于0.5 dB,帶外衰減與版圖仿真結(jié)果相差不大?？梢詰?yīng)用于11G 數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)室外單元中。

　　3 結(jié)語

　　本文運用ADS軟件輔助設(shè)計了一個實際應(yīng)用于微波系統(tǒng)的平行耦合微帶濾波器，詳細說明了設(shè)計原理和設(shè)計方法，從的濾波器實物測試結(jié)果可以看到，使用ADS 輔助設(shè)計方法理論計算簡單，能有效地提高工程師的效率，并且所設(shè)計的濾波器能夠滿足實際系統(tǒng)的   指標(biāo)要求。（作者：徐聰，唐興）