微帶濾波器和耦合電路的設(shè)計(jì)

1 前 言

當(dāng)今的微波設(shè)計(jì)師依靠很多工具來制作高效的電路和系統(tǒng)。他們要利用已有的參考資料和強(qiáng)大的EDA工具和電磁（EM）分析工具，還必須結(jié)合自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來 進(jìn)行制作。這些工作終極需要通過制作電路和測(cè)試完成的電路來實(shí)現(xiàn)。這篇文章描述了兩個(gè)微帶電路設(shè)計(jì)是如何使用各種不同工具開發(fā)，用電路板銑制設(shè)備快速制 作，然后經(jīng)過丈量來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的正確性。

樣例中的設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的帶寬3.7到4.2GHz的發(fā)夾型濾波器和一個(gè)1到8GHz的定向耦合器，使用Schiffman鋸齒技術(shù)減小尺寸。發(fā)夾型濾波器用Agilent ADS1.3軟件設(shè)計(jì)和仿真，用SONnet Lite軟件進(jìn)行平面EM分析。耦合器運(yùn)用了基于設(shè)計(jì)規(guī)則的變換，有一個(gè)現(xiàn)存的門路線形式的耦合器設(shè)計(jì)來啟動(dòng)。

兩個(gè)電路都是用LPKF光電股份有限公司的Protomat C100HF型設(shè)備制作出來的，使用HP(Agilent) 8753E網(wǎng)絡(luò)分析儀獲得丈量結(jié)果。

2 設(shè)計(jì)樣例

3.7到4.2GHz的發(fā)夾型濾波器

2.1 設(shè)計(jì)

這個(gè)濾波器設(shè)計(jì)用于在3.7到4.2GHz的帶寬上獲得一個(gè)平坦的響應(yīng)。插進(jìn)損耗和回波損耗在此頻段優(yōu)于16dB。這個(gè)濾波器用在下變頻器輸進(jìn)端進(jìn)行鏡頻抑制。該設(shè)計(jì)選用一個(gè)典型的發(fā)夾型濾波器，它將能滿足設(shè)計(jì)要求的性能和尺寸。

濾波器由ADS1.3設(shè)計(jì)，圖1是結(jié)果圖樣。當(dāng)然，這是一個(gè)熟悉的發(fā)夾型結(jié)構(gòu)。濾波器占用的面積約為500 x 1200 mils (0.5 x 1.2 in.)，包括用來保持恒定邏輯屬性的發(fā)夾循環(huán)所需的足夠面積。

圖2是在ADS中的設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)。這個(gè)拓?fù)湫问侵行膶?duì)稱的，所以設(shè)計(jì)成兩段，由一個(gè)“背靠背”結(jié)構(gòu)連接。由于數(shù)學(xué)方面上的結(jié)構(gòu)尺寸減小，計(jì)算時(shí)間被大大縮減。

圖2，在ADS中的設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)。濾波器以兩個(gè)鏡像的圖形塊進(jìn)行仿真，以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)

建立優(yōu)化來獲得在通帶3.55至4.4GHz的最小16dB的回波損耗，在3.2GHz以下和4.7GHz以上最小28dB的阻帶衰減。優(yōu)化的頻率范圍是3.0-5.0GHz。更寬范圍不要求獲得預(yù)想的結(jié)果。

圖3，對(duì)終極設(shè)計(jì)的ADS仿真定義。仿真性能和濾波器圖樣都出自于這里的數(shù)據(jù)

圖3顯示了每一個(gè)“半濾波器”的ADS終極設(shè)計(jì)，包括端口、微帶線、T形、彎曲和短凸形。留意短凸形的末真?zhèn)€0.1pF電容，說明具有末端效應(yīng)（邊沿電容）。圖1的也有它們的顯示。

圖4，仿真結(jié)果。
（a）全程響應(yīng)；（b）通帶響應(yīng)和插進(jìn)損耗；（c）回波損耗；（d）Smith阻抗圖

圖4是模型化的性能顯示。包括通帶、阻帶特性、回波損耗結(jié)果以及輸進(jìn)/輸出阻抗的Smith圖。這些圖表說明ADS模型滿足濾波器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 EM分析

圖5是濾波器尺寸的詳圖。設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)使用Sonnet軟件公司的Sonnet Lite平面電磁場(chǎng)軟件進(jìn)行電路分析。

圖5，濾波器的具體尺寸。

圖6是EM分析結(jié)果。通帶的響應(yīng)比ADS預(yù)期的稍稍窄一些，但是假如制作出來的電路性能滿足分析的話，仍將覆蓋3.7到4.2GHz的帶寬。通帶的平坦性 非常接近ADS模型?；夭〒p耗的響應(yīng)在通帶上比ADS仿真的對(duì)稱性稍差一些。但仍能保持16dB或更好。