基于平衡技術的微帶低通濾波器版圖優(yōu)化設計

摘要：微帶線結構的不連續(xù)性，使反射損耗和插入損耗較大，影響濾波器性能。利用平衡法提升濾波器并聯(lián)分支中較低的特性阻抗，達到降低微帶線寬度的目的，從而均衡整個濾波器的寬度，使版圖仿真優(yōu)化。以一個5階切比雪夫微帶低通濾波器設計為例，仿真結果表明，濾波器通帶內反射損耗從-9．566 dB降低到-15．837 dB，插入損耗從0．679 dB降低到0．322 dB，與直接采用Richards變換和Kuroda規(guī)則設計微帶低通濾波器相比，該方法能縮短濾波器設計周期，獲得滿意的濾波器性能。
關鍵詞：低通濾波器；微帶線；平衡技術；版圖優(yōu)化

微帶濾波器是無線通信的重要部件。隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，加速了微帶濾波器的研究進程，發(fā)明許多Q值適中、重量輕、穩(wěn)定性好的微帶濾波器。計算機輔助設計軟件的出現(xiàn)，使設計者在設計過程中避免繁雜的計算過程，提高復雜電路設計效率，縮短設計周期。設計者通常運用Richards變換與Kuroda規(guī)則設計微帶低通濾波器。該方法設計的濾波器在接頭處會由于相鄰耦合線線寬不同產生不連續(xù)性，使插入損耗較大，不滿足一些射頻通信的要求。為了解決此問題，采用電磁帶隙結構與高低阻抗線結合的方法，改善了通帶性能，但阻帶性能變差，體積變大。運用分形技術設計高低阻抗濾波器取得了一定的效果，但設計方法復雜，對于加工精度要求較高。
本文提出一種采用平衡技術優(yōu)化微帶低通濾波器版圖的方法，并以5節(jié)切比雪夫微帶低通濾波器為例，通過在低特性阻抗并聯(lián)傳輸線節(jié)點處再并聯(lián)相同長度的微帶線，修改兩條微帶線特性阻抗為原來的兩倍達到優(yōu)化版圖的目的。原理圖仿真和版圖仿真均驗證了該方法的可行性。該方法簡單易行，只需使用ADS軟件就能方便修改，并且可以用于帶阻濾波器等其他微帶結構的濾波器，具有良好的應用前景。

1 平衡技術設計原理
使用Richards變換和Kuroda規(guī)則設計微帶濾波器，所得串并聯(lián)傳輸線長度理論上是相同的。選取各支節(jié)傳輸線長度l為截止頻率下波長的1／8，由終端開路傳輸線阻抗分布表達式：
Zin(l)=-jZ0tanβ1 (1)
式中：傳播常數(shù)β=2π／λ；Z0為特性阻抗。將1=λ／8帶入式(1)可得：
Zin(l)=-jZ0 (2)
若傳輸線長度l保持不變，使兩條特性阻抗Z0相同長度l相等的終端開路傳輸線并聯(lián)于同一點，則其輸入阻抗會減半為Z0／2；反之，將兩段并聯(lián)終端開路傳輸線特性阻抗提高1倍并聯(lián)于同一點且保持傳輸線長度l不變，則輸入阻抗保持不變?yōu)閆0。
由以上推導可知，用平衡技術修改濾波器并聯(lián)終端開路傳輸線不影響各節(jié)的輸入阻抗。

2 用Richards變換、Kuroda規(guī)則設計微帶低通濾波器
由于當頻率較高時電感和電容應選的元件值過小，由于寄生參數(shù)的影響，如此小的電感和電容已經不能再使用集中參數(shù)元件并且工作波長與濾波器元件的物理尺寸相近，濾波器元件之間的距離不可忽視，需要考慮分布參數(shù)效應?；谝陨显?，設計者先設計出有電感、電容組成的集中參數(shù)濾波器，然后運用Richards變換和Kuroda規(guī)則轉換為合適的微帶濾波器結構。
本文設計的微帶低通濾波器指標如下：
截止頻率為f0=3 GHz，通帶內波紋為0．5 dB，在2倍截止頻率處具有不小于40 dB的帶外衰減，輸入／輸出阻抗為50 Ω?；搴穸菻=0．762 mm，基板相對介電常數(shù)Er=3．66，磁導率μ=1 H／M，金屬電導率為5．88 mS／m，封裝高度Hu=1．0+33 mm，金屬層厚度T=0．035 mm。
通過計算選用5階切比雪夫微帶低通濾波器模型進行設計。電路原理及其仿真結果如圖1所示。

由圖可以看出串聯(lián)和并聯(lián)的微帶線長度均為λ／8，而寬度與特性阻抗大小相關。
由于原理圖仿真是在理想條件下進行的，而實際的電路板需要考慮耦合和干擾等因素的影響。ADS版圖仿真是采用矩量法進行電磁仿真，對版圖的仿真結果更符合電路實際情況。圖1所示的濾波器原理圖對應的版圖結構及仿真結構如圖2所示。