带通滤波器

基于ADS软件的射频带通滤波器设计与仿真

摘要

微波滤波器在微波中继通信、卫星通信、雷达技术、电子对抗及微波测量仪器中都有广泛的应用。无论是发射机还是接收机，都需要选择特定频率的信号进行处理，滤除其他频率的干扰信号，这就需要使用滤波电路来分离有用信号和干扰信号。因此，高性能的滤波器对设计一个好的射频通信系统具有重要意义。近年来, 微波电路计算机辅助设计软件的应用越来越广泛, Agilent 公司的高级设计系统(Advanced DesignSystem———ADS)软件就是其中的佼佼者, 它也是国内各大学和研究所在微波电路和通信系统仿真方面使用最多的软件之一。本文借助ADS仿真软件，设计出了一种边缘耦合的平行耦合线带通滤波器，节省了设计时间, 提高了设计精度和设计效率。

关键字：ADS软件带通滤波器平行耦合微带线

Microwave filter have a wide range of applications in microwave relay communications, satellite communications, radar technology, electronic warfare, and microwave measurement instruments .Both the transmitter and receiver need select a specific frequency signal processing, filter out other frequencies of the interference signals, which need to use the filter circuit to separate the useful signal and interference signals. Therefore, high-performance RF filter design is very important in a good communications system. In recent years, microwave circuit computer-aided design software, is more and more widely, Agilent's Advanced Design System (Advanced DesignSystem --- ADS) software is one of the best, it is domestic universities and research institutes in the microwave circuits and communications system simulation. With the helps of ADS simulation software, designed a parallel coupled line edge coupled bandpass filter saves design time and improves the design precision and design efficiency.

Keywords：ADS bandpass filter Parallel coupled microstrip

滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络，对通带内的频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，从而实现信号频谱过滤功能。微波带通滤波器在无线通信系统中起着至关重要的作用，尤其是在接收机前端。滤波器性能的优劣直接影响到整个接收机性能的好坏，它不仅起到频带和信道选择的作用，而且还能滤除谐波，抑制杂散。平行耦合微带线滤波器是一种分布参数滤波器，它是由微带线或耦合微带线组成，其具有重量轻、结构紧凑、价格低、可靠性高、性能稳定等优点，因此在微波集成电路中，它是一种被广为应用的带通滤波器。

带通滤波器的设计通常先把带通滤波器频率取归一化，参考频率一般取带通滤波器的频带宽度，从而寻找相应的低通模型设计出符合设计参数要求的低通滤波器，再进行频率和元件变换得到相应的带通滤波器。

在以往设计各种滤波器时，往往需要根据大量复杂的经验公式计算及查表来确定滤波器的各级参数，这样的方法不但复杂繁琐，而且所设计滤波器往往性能指标难以达到要求。本文将先进的微波电路仿真软件ADS2008与传统的设计方法相结合设计一个平行耦合微带线滤波器。

本文主要应用上述理论设计一个切比雪夫滤波器，其设计参数为：中心频率f0=6Ghz，相对带宽为5%，带内波纹参数0.5dB，在（6±1Ghz）的最小抑制度为45dB，微带线特征阻抗为50欧。设计中运用切比雪夫滤波器列线图结合归一化参数确定滤波器的阶数和元器件值，并根据奇偶模特征阻抗计算公式确定出微带线的几何尺寸，最后利用ADS软件进行仿真验证寻找优化方法，达成对射频带通滤波器的最佳设计。

第一章带通滤波器的设计方法与参数

设计带通滤波器的方法有很多种，但最为产检的是低通原型滤波器综合法和数值法，这两种方法与设计师多种可能解决方案之间的抉择紧密关联。计算机时代以前，传统设计方法为低通原型滤波器法，，尽管这种方法存在欠缺却一直很成功并且始终是绝大多数滤波器设计的基础。

通过低通滤波器综合进行滤波器设计主要包括以下步骤：

1)设计具有预期带通特性的原型低通滤波器；

2)根据指定中心频率和边缘频率特性将低通滤波器转化为带通滤波器；

3)计算出实际元件的参数值，并且用分布元件实现网络。【1】

传统方法设计滤波器时有许多现有的经验或参数表格、图形可供借鉴，大大的减少了设计过程中的运算量。这些表格、图形包括有滤波器列线图（如图一）、滤波器低通原型元件值表等。这些表格和图形的存在大大简化了滤波器设计的工作量。同时，这些经验参数经过数代工程师的修正和积累具有较高的可靠性。传统滤波器模型已经嵌入到许多工程软件当中，例如在MATLAB中，对相应的带通滤波器参数可以直接设计参数，十分方便。

本文中滤波器采用的是切比雪夫滤波器设计模型，相对与巴特沃兹滤波器，切比雪夫滤波器具有的较窄的过渡带，但这是以牺牲滤波器通带和阻带的波纹性换来的。

切比雪夫带通滤波器主要的技术指标有：

f:2.5GHz;

1)中心频率

2)带宽：需要通过频谱的宽度，50MHz

3)带内衰减: 小于10dB;

4)带内波动: 小于0.01dB;

5)带内输入输出端口反射系数: 小于- 15dB;

6)阻带耗损: 5GHz 以下及7GHz 以上, 衰减大于25dB。【2】

第二章 设计方法与步骤

一、将带通原型参数变换为低通原型参数；

由低通原型滤波器变换为带通滤波器的公式为：0010''f f w f w BW f f ??=-????

；

其中0f =

为带通滤波器中心频率，h f 、l f 分别为带通滤波器的上、下边界频率。BW 为滤波器的带宽BW=h f -l f 。

在本设计中0f =6Ghz ，f =7Ghz,带宽BW=0.3Ghz ，带入到0010''f f w f w BW f f ??=-????中得到谐振器数目为6.19。[3]微波固态电路设计

二、运用列线图确定滤波器的阶数

切比雪夫低通滤波器列线图是依据插入损耗、波纹、谐振器数目等设计参数的连线图，其图例如下图所示：

通过滤波器列线图依据插入损耗、波纹参数、谐振器数目可以确定滤波器的阶数为3阶。

三、依据切比雪夫低通滤波器原型的归一化元件值可得：波纹为0.5dB 的3阶低通滤波器元件值依次为：g0=1.0、g1=1.5963、g2=1.0967、g3=1.5963、g4=1.0。

四、去归一化和元件值转换及集总参数模型的仿真；

对于低通原型中串联电感和并联电容进行频率转换后有如下结果： 低通原型中电感转化为电感与电容的串联，串联转化值为：

02k k Z L g BW π=、2002k k BW C g Z πω=（串联调谐元件）

低通原型中电容转化为电感与电容的并联，并联转化值为：

0202k k BWZ L g πω=、0

2k k g C BWZ π=（并联调谐元件） 其中带入低通g0—g4的值到上式中得到：

L1=L3=0.0415nH

C1=C3=16.94pF

L2=29.09nH

C2=0.0242pF （以上结果0Z =50Ω）

转换后电路模型为：

转换后的集总电路模型

设置仿真控件：仿真频率范围为4~8Ghz ，步长20Khz ，点击工具栏上的仿真按钮得到集总参数设计的带通滤波器仿真图。效果如下图示：

集总电路仿真效果

图中显示，在5Ghz 和8Ghz 两个频点，衰减分别为57.74dB 和50.21dB ，中心频率为6Ghz ，波纹参数约为0.4dB 。集总模型理论上完全符合设计的要求。

五、分布参数模型的分析设计与电路几何尺寸的确定；

使用归一化设计参数g1-g4和归一化带宽BW 可以得到通带滤波器的设计参数

,101i i J Z +=

,101n n BW J Z π+=

由上式的通带电路设计参数可以得到奇模和偶模特征阻抗，其值为：

()2,100,10,1|1O i i i i i i Z Z Z J Z J +++??=-+??

()2,100,10,1|1E i i i i i i Z Z Z J Z J +++??=++??

式中0Z 为特征阻抗，取值为50Ω，

将g0=1.0、g1=1.5963、g2=1.0967、g3=1.5963、g4=1.0带入上述式中依次得到： 0,1J =0.0108、1,2J =0.0071、2,3J =0.0071、3,4J =0.0108

解出特征阻抗为：

奇模：0,1|O Z =37.85、1,2|O Z =38.60、2,3|O Z =38.60、3,4|O Z =37.85

偶模：0,1|E Z =91.58、1,2|E Z =74.13、2,3|E Z =74.13、3,4|E Z =91.58

六、利用ADS 软件设计带通滤波器电路板

微带线的集合尺寸可以查找耦合微带线特征阻抗图求得，但查找精度偏低，不利于电路图的实现设计。