基于ADS的平行耦合微带线带通滤波器的设计及优化

基于ADS的平行耦合微带线带通滤波器的设计及优化 基于ADS的平行耦合微带线带通滤波器的 设计及优化 第33卷第4期 2010年8月 电子器件 ChineseJournalofElectronDevices V01.33No.4 Aug.2010 DesignandOptimizationofParallelCoupledMicrostrip LinesBand.PassFilterBasedonADS ZHANGFuhong,ZHANGZhenqiang,MAJiajia (SchoolofCommunicationEineering,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310018,China) Abstract:Thispaperintroducesamethodologyfordesignandoptiminationofthemicrostripband—passfilterwith theaidofADS(AdvancedDesignSystem),andpresentsdesignsteps.Acenter~equencyof2.6GHz,bandwidth of200MHzmicrostripband— passfilterisimplemened,itsoptimizationexampleandsimulationresultsaregivenby themethodologicdesignmethodandADS,andMomentumsimulationresultsofthecircuitlayoutareobtained. Simulationresultsmeetthedesignrequirementsandshowthatthisapproachisfeasible. Keywords:parallelcoupledmicrostripline;bandfilter;ADS;design;optimization EEACC:1270doi:10.3969/j.issn.1005—9490.2010.04.009 基于ADS的平行耦合微带线带通滤波器的设计及优化 张福洪,张振强,马佳佳 (杭州电子科技大学通信工程学院,杭州310018) 摘要:介绍一种借助ADS(AdvancedDesignSystem)软件进行设计和优化平行耦合 微带线带通滤波器的方法,给出了清晰 的设计步骤,最后结合设计方法利用ADS给出一个中心频率为2.6GHz,带宽为 200MHz的微带带通滤波器的设计及优化实 例和仿真结果,并进一步给出电路版图Momentum仿真结果.仿真结果表明:这种 方法是可行的,满足设计的要求. 关键词:平行耦合微带线;带通滤波器;ADS;设计;优化 中图分类号:TN713文献标识码:A文章编号:1005—9490(2010)04—0433—05 滤波器是用来分离不同频率信号的一种器件. 它的主要作用是抑制不需要的信号,使其不能通过 滤波器,只让需要的信号通过.在微波电路系统 中,滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响, 因此如何设计出一个具有高性能的滤波器,对设计 微波电路系统具有很重要的意义.微带电路具有体 积小,重量轻,频带宽等诸多优点,近年来在微波电 路系统应用广泛,其中用微带做滤波器是其主要应 用之一.平行耦合微带线带通滤波器在微波集成电 路中是被广为应用的带通滤波器. 1基本原理 当两个无屏蔽的传输线紧靠一起时,由于传 输线之间电磁场的相互作用,在传输线之间会有 功率耦合,这种传输线称之为耦合传输线.根据 传输线理论,每条单独的微带线都等价为小段串 联电感和小段并联电容.每条微带线的特性阻抗 为z0,相互耦合的部分长度为,微带线的宽度为收稿日期:2010,04—13修改日期:2010—04—27 ,微带线之间的距离为S,偶模特性阻抗为,奇 模特性阻抗为Z..单个微带线单元虽然具有滤波 特性,但其不能提供陡峭的通带到阻带的过渡. 如果将多个单元级联,级联后的网络可以具有良 好的滤波特性. 434电子器件第33卷 查表选择低通原型滤波器的归一化原型参量]. 用?和表示带通滤波器的下边界和上边界,. 表示中心频率.将带通滤波器变换为低通原型]. — 0_(一)(1) 叫2一l(Oo 归一化带宽 BW:!(.:)(2) LO0二 查表得到归一化设计参数g,g:…gg+. 2.2计算各节偶模和奇模的特性阻抗设计 用g,g2…gg+和BW确定带通滤波器电路 中的设计参数耦合传输线的奇模和偶模的特性 阻抗: :2,3,…,?z o2,'…' JN+I= ZoI=Zo[1+Z0J+(ZoJ)] Zo.l=Zo[1一ZoJ+(Z.J)] (3) 2.3计算微带线的几何尺寸 根据微带线的偶模和奇模阻抗,按照给定的微 带线路板的参数,使用ADS中的微带线计算器Lin— eCalc计算得到微带线的几何尺寸,S,L. 真及优化 2.4仿 连接好电路,将计算出的,S,L输入,扫描参 数为SS,进行仿真.一般来说用理论值的得到 仿真结果和实际想要得到结果有出入,这就需要进 行优化.我们可以用ADS中的Optim工具来进行 多次的优化直到达到预定的设计要求. 3设计实例 设计指标:中心频率为2.6GHz,带宽 200MHz,在f=2.8GHz及2.4GHz上衰减不小于 40dB,通带内纹波3dB,输入输出特f生阻抗均为50n. 微带电路板的参数如下:厚度H=0.4mnl_8],介 质相对介电常数为E=3.66,相对磁导率为Mur=1, 金属层厚度T=0.03mln,损耗正切角TanD=0. 根据设计的指标及式(1)我们选用n=5的 3dB纹波切比雪夫低通原型.查表…求得低通滤 波器原型的原件取值为: g0=g6=1,g1=g5=3.4817,g2=g4=0.7618, g3=4.5381 由式(3)得: r()01=()56=61.0498(zoo)01=(Zoo)56=4242071 {()12=()l2=53.9849(zoo)2=(Zoo)l2=5656l(4) 【()23=()23=53.4605(Zoo)23=(zoo)23=46.9619J 计算平行耦合线的,5,,由ADS中的Line. Calc得到. 表1各节耦合微带线的尺寸单位:mm 图2ADSLineealc模块 第4期张福洪,张振强等:基于ADS的平行耦合微带线带通滤波器的设计及优化435 将上述的结构尺寸输入ADS中并设置微带电路板的参数和S参数的频率扫描范围进行原理图仿真. 以下图3是理论计算值的仿真原理图,图4是仿真结果. 图3微带线带通滤波器设计原理图 图4传输,反射系数仿真曲线图 经过分析仿真结果出现了中心频率点偏移的,并图5为优化原理图,图6是优化后生成的仿真结 且通带内的反射系数较大,在2.4GHz上衰减没有达果.由图6中可以看到f=2.6GHz时,S(2,1)= 到要求,因此需要对其进行优化.优化时要注意:耦一0.113dB=2.8GHz和=2.4GHz时衰减都大 合线的,S,不要设为具体的值,而是要有各个变于40dB,反射系数也比较理想,各项基本满足设计 量来代替j,因为这些参数就是优化的目标.变量的要求. 设置要需要借助变量控件VAR来完成,在VAR中要微带滤波器的实际电路是由实际电路板和微带 设置合理的数据范围.优化还需要Optim控件和目线构成的,实际电路的性能可能会与原理图仿真的 标控件Goal,将Optim控件中的Maxhers的值该为结果会有很大的差别.因此,需要在ADS中对版图 100,增加优化次数.根据我们的设计要求设置四个进行进一步的仿真之后才能进行电路板的制作.首 Goal控件.依次分别为:优化通带内的s(2,1),优化先我们要生成版图,由优化后的原理图生成的版图 通带内的(1,1)(优化通带内的反射系数),优化低如图7所示., 端阻带内的5(2,1)(设定2.4GHz以下达到40dB接着我们对电路版图进行矩量法Momentum仿 衰减)和优化高端阻带内的s(2,1)(设定2.8GHz以真,仿真结果如图8.由图8可以看出版图仿真得 上衰减达到40dB).如果一次优化不能满足设计指到的曲线满足指标要求.版图的仿真是采用矩量法 标的要求,则需要再改变变量的取值范围,进行重新直接对电磁场进行计算,考虑 了实际因素,其结果比 优化,直到满足要求为止.在原理图中仿真更加真实. 436电子器件第33卷 Rou#=0ram UpdnteDato*?es UseAllOptV~les {鬻删onllm昕4znldB(S . ( F. 2,l炉3ldB(S(2,"l Weight;100 R鲫【I卜"freq" R~geMin【l卜25GHz RmeM"【1】7GHz Wei100 RangeVm~1卜"" RangeMin【I】=23GHz RangcM~…I4GHz 图5微带线带通滤波器优化原理图 freq/GHz Weight-200 RangeV~【Il="freq" P,angeM~【I卜3GHz wei曲200 RangeV~1】蝴 RangeMin_l】1=25OHz RangeM~[1】27GHz 图6优化后的S参数曲线图 freq/GHz 4结论 Frequency (a)S(1,1) 图7微带版图 Frequency (b)S(2,1) 图8微带版图仿真曲线 本文从耦合微带线的基本理论出发,完整的阐 述一种利用ADS来进行微带带通滤波器的设计方 法,并设计出了一个达到预期的微带带通滤波器. 利用ADS软件可以大大减少工程师的工作量,并且 能提高效率,降低成本. 参考文献: 一 \,,L-一 一 llf Frequency (c)S(2,1) [1]黄玉兰.射频电路理论与设计[M].北京:人民邮电出版社 2008,10. [2] [3] 韩持宗,朱静.基于ADS仿真设计的微带带通滤波器[J].电 子设计应用,2007,9. 清华大学《微带电路》编写组.微带电路[M].北京:人民邮电 出版社,1975. 一一_【_【一?一ap 一一_1一?一号 m弓\&日苫