一款超高頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)方案

0 引言

　　射頻濾波器在無線通信系統(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)絕對(duì)必要的、評(píng)估濾波器性能的工具。美國安捷倫（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)仿真方面使用最多的軟件之一。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)的精度和方案設(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：

　?。?）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;

　?。?）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，相互耦合的部分長度為L，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：