微帶濾波器與耦合器電路的設(shè)計(jì)，制作與測(cè)量

今日的微波設(shè)計(jì)者使用多種工具以幫助自己實(shí)現(xiàn)有效的電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。他們借助的資源包括他們的參考書(shū)庫(kù)，功能強(qiáng)大的EDA軟件，電磁（EM）分析工具，以及 他們的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。通常，他們的設(shè)計(jì)需要通過(guò)制作最終的電路板成品，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試來(lái)得到驗(yàn)證。我們用不同的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了兩種微帶電路，并且利用電路板雕 刻機(jī)快速制作了樣品；根據(jù)兩個(gè)樣品的測(cè)試結(jié)果的比較來(lái)判斷這兩種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)劣。

要求設(shè)計(jì)的樣品是經(jīng)典的發(fā)夾式濾波器，帶寬要求在3.7 到4.2GHz；還有一個(gè)1到8GHz單向耦合器，我們使用了Schiffman鋸齒技術(shù)來(lái)減小它的尺寸。發(fā)夾式濾波器使用Agilent公司的 ADS1.3[1]來(lái)做設(shè)計(jì)和模擬，而平面電磁分析則利用Sonnet Lite [2]完成。與此不同，耦合器的設(shè)計(jì)從已有的階梯線耦合器開(kāi)始，采用了設(shè)計(jì)規(guī)則變換的方法來(lái)完成。以上的兩個(gè)電路都使用了LPKF激光電子的 ProtoMat C100HF電路板雕刻機(jī)完成制作。結(jié)果使用HP (Agilent) 8753E網(wǎng)絡(luò)分析儀做了測(cè)量。

設(shè)計(jì)實(shí)例 #1:一個(gè)3.7GHz到4.2GHz的發(fā)夾式濾波器

這個(gè)濾波器要求在3.7GHz到4.2GHz波段內(nèi)平直響應(yīng)，并且插損和回?fù)p要求控制在16dB以內(nèi)。我們選擇了經(jīng)典的發(fā)夾式設(shè)計(jì)，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)告訴我們，它能夠達(dá)到所要求的性能和尺寸。

這個(gè)濾波器使用ADS1.3設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。這個(gè)當(dāng)然就是我們所熟悉的發(fā)夾式設(shè)計(jì)。濾波器所占據(jù)的面積大約是0.5*1.2 英寸，另外還要加上發(fā)夾電路外足夠大的面積來(lái)保持介電特性的一致性。

圖2是ADS中的設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)置。由于這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是中心對(duì)稱，它被設(shè)計(jì)成兩部分背靠背的形式。如此一來(lái)，對(duì)稱的設(shè)計(jì)讓之后的模擬計(jì)算變的簡(jiǎn)單，計(jì)算的時(shí)間大幅減小。

優(yōu)化所設(shè)定的目標(biāo)是以最少16dB的回?fù)p實(shí)現(xiàn)3.55到4.4GHz范圍內(nèi)的帶通濾波，3.2GHz以下，4.7GHz以上28dB stopband attenuation。優(yōu)化的頻率區(qū)間是3.0到5.0GHz。更大的范圍沒(méi)有必要。

圖3是ADS給出的每個(gè)濾波器的最終設(shè)計(jì)圖，包括了端口，微帶線，T字，轉(zhuǎn)角以及stubs。注意到stub末端的0.1pF的電容end effect（散射電容）。這些在圖1中也有。

該模型的性能由圖4給出。這些圖顯示了ADS模擬的帶通，截止，回?fù)p的結(jié)果以及輸入輸出阻抗比的Smith圖。這些圖顯示，ADS的設(shè)計(jì)模型能夠滿足濾波器相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

EM分析

圖5是表示濾波器的所有尺寸。這份設(shè)計(jì)圖被Sonnet Lite平面電磁場(chǎng)分析軟件用來(lái)做電路性能分析。

圖6是EM分析的結(jié)果。這里的帶通波段比ADS預(yù)言的略窄，但是已經(jīng)包含了3.7到4.2GHz波段。通帶平整度與ADS給出的結(jié)果非常接近。通帶內(nèi)的回?fù)p響應(yīng)沒(méi)有ADS給出那么對(duì)稱，但是在整個(gè)范圍內(nèi)保持在16dB 左右。

圖6 Sonnet Lite的EM分析結(jié)果。從結(jié)果可以看出相關(guān)響應(yīng)滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

制作測(cè)試濾波器

為了比較發(fā)夾濾波器的設(shè)計(jì)模型和實(shí)際效果，我們?cè)谖⒉ǜ层~板上使用雕刻機(jī)制作了一個(gè)測(cè)試樣品。

ADS的設(shè)計(jì)圖樣，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理之后，變成雕刻機(jī)的驅(qū)動(dòng)文件。設(shè)計(jì)圖中的相應(yīng)尺寸被直接調(diào)用到LPKF的配套軟件中。圖7是LPKF CircuitCAM產(chǎn)生的加工數(shù)據(jù)。

性能測(cè)試

板子被銑成設(shè)計(jì)圖樣后，我們兩端接上連接器，并且用HP 8753E網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)濾波器進(jìn)行了測(cè)量。圖8是樣品濾波器的透過(guò)性能 (S21) 以及回?fù)p (S11)測(cè)量值。這個(gè)圖的比例是每格5dB，用以說(shuō)明整體通帶/截止性能小于-45dB。

圖9與圖8相同，不過(guò)帶通的比例為每格1dB，用以說(shuō)明通帶的平整度。圖中回?fù)p依然是每格5dB。

實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果符合的很好。通帶比ADS預(yù)言的稍窄，但比Sonnet Lite給的值小。三種建模方法和測(cè)量結(jié)果在插入損耗和通帶平整度方面都符合得很好。

盡管從回?fù)p的形狀上講，模型和實(shí)測(cè)結(jié)果都各不相同，但是每一個(gè)都達(dá)到了16dB的規(guī)格要求，而且清晰顯示出多極濾波器特有的駝峰響應(yīng)。

設(shè)計(jì)實(shí)例 #2:一個(gè)縮小了的階梯線單向耦合器

下一個(gè)我們將要檢查的電路是用經(jīng)驗(yàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)的。我們想要考察一種減小微帶電路尺寸的Schiffman方法， Uysal[4]在他的文章中詳細(xì)論述了這種方法。這一技術(shù)使用鋸齒或之字結(jié)構(gòu)來(lái)減少給定電路的機(jī)械長(zhǎng)度。

一 個(gè)由CAP Wireless職員Paul Daughen-baugh使用ADS設(shè)計(jì)的1到8GHz階梯線耦合器被作為設(shè)計(jì)底稿。設(shè)計(jì)的最終結(jié)果被導(dǎo)出到CircuitCAM軟件，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理之 后，輸出成雕刻機(jī)能夠識(shí)別的設(shè)計(jì)圖樣，見(jiàn)圖10。這張圖清晰展示了這一技術(shù)。

我們采用了一種經(jīng)驗(yàn)的方法來(lái)從直條的耦合器得到鋸齒狀的耦合器，具體規(guī)則如下：

• 閉合空間耦合器部分——要求之字線的總長(zhǎng)與這部分的直線長(zhǎng)度相等。這就使得這個(gè)部分的尺寸縮小了將近一半。直線之間的間距保持不變。
• 開(kāi)放空間耦合器部分——這個(gè)第三部分的線間距由鋸齒的中心高度為準(zhǔn)計(jì)算的。在這個(gè)開(kāi)放空間，我們假設(shè)場(chǎng)將根據(jù)這個(gè)平均空間來(lái)耦合，而不是沿著第一部分的邊緣線。同時(shí)，在這一部分長(zhǎng)度的將小將相對(duì)較少。作為簡(jiǎn)化，我們采用了與最初直線部分相同的長(zhǎng)度。
• 中心部分——中心部分線間距和長(zhǎng)度較小是根據(jù)第一和第三部分的幾何平均值計(jì)算而得的。

這個(gè)“最佳猜想”方法是必要的，因?yàn)椴豢赡苁褂矛F(xiàn)有的軟件對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。甚至對(duì)Sonnet Lite而言，都已經(jīng)過(guò)于復(fù)雜。

耦合器性能

耦合器利用LPKF雕刻機(jī)制作完成后，我們?cè)?到8GHz間對(duì)耦合度進(jìn)行了評(píng)估。在圖11中，耦合端口傳輸是那條相對(duì)平滑的線。圖中的中心水平線為 －18dB，每格表示2dB。在整個(gè)測(cè)量頻率范圍內(nèi)，耦合值為–19 dB ±1.5 dB。在同一副圖中，輸入回?fù)p為每格5dB，從上往下數(shù)，第二條線表示0dB基準(zhǔn)線。最壞情況的回?fù)p在最低頻率處，為16dB。

圖 12表示逆向耦合的情況，包括了輸出端口回?fù)p。兩個(gè)圖的分辨率都是每格5dB。對(duì)于逆向耦合，中心線依然是－18dB基準(zhǔn)線，耦合值在整個(gè)波段中好于 －28dB，除了高頻端處處好于31dB。輸出端口回?fù)p的比例與圖11中的相同，同時(shí)也在1GHz時(shí)有最差的16dB響應(yīng)。

除了超高頻區(qū)域，方向性（前向耦合減去逆向耦合）總體保持在10dB。設(shè)計(jì)目標(biāo)是大于10dB，實(shí)際設(shè)定目標(biāo)為12dB，以便保留足夠的富余。對(duì)大多數(shù)的波段，目標(biāo)都已經(jīng)達(dá)成，我們認(rèn)為，對(duì)初次嘗試而言，這已經(jīng)是非常不錯(cuò)的結(jié)果了。

圖13是插入損耗，它在1GHz時(shí)，為0.25dB;在6GHz時(shí)，有一個(gè)0.57dB的最壞結(jié)果。從1到8GHz范圍內(nèi)，插入損耗的變化不超過(guò)0.33dB。

樣品板銑制機(jī)的使用

快速制作樣品電路板能夠徹底改變某些設(shè)計(jì)的工程實(shí)現(xiàn)方法。以單向耦合器為例，我們一開(kāi)始準(zhǔn)備做多次反復(fù)的設(shè)計(jì)以獲得需要的性能。帶著幾分運(yùn)氣（還有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的猜想），第一次嘗試就獲得了一個(gè)好的耦合器。

圖14和15展示了銑制得到的電路板，在上面已經(jīng)安裝了連接器以供測(cè)量之用。圖14展示的發(fā)夾式濾波器電路甚至顯示出一小塊經(jīng)過(guò)焊接的電路，這是為了填補(bǔ)微帶線路的一個(gè)缺口。這是由于設(shè)計(jì)圖樣上有一個(gè)很小的差錯(cuò)，在板子完成時(shí)，才被發(fā)現(xiàn)。

耦合器設(shè)計(jì)可能還需要修改以便改進(jìn)低端回?fù)p或者讓響應(yīng)更平坦。這些細(xì)小的改動(dòng)可能不會(huì)被使用傳統(tǒng)電路板制作方法的公司考慮。隨著環(huán)境規(guī)則的變化，特別在加州，額外的環(huán)境費(fèi)用和復(fù)雜的工藝流程使得大多數(shù)的公司不再保留室內(nèi)蝕刻實(shí)驗(yàn)室。

總結(jié)

我們希望通過(guò)這些實(shí)例能夠清楚展示我們是如何使用諸多設(shè)計(jì)資源的。為了設(shè)計(jì)和制作這些濾波器和耦合器電路，幾個(gè)工程師的經(jīng)驗(yàn)再加上參考書(shū)，先進(jìn)電路理論模擬，電磁分析還有制作和測(cè)量才能完成。過(guò)程中的每一步都會(huì)影響最終的設(shè)計(jì)的成敗。