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1 引言 在過(guò)去的十年中，由于無(wú)線(xiàn)個(gè)人通信及其他可移動(dòng)接收機和發(fā)射機應用的迅猛增長(cháng)為低損耗、小尺寸、重量輕且價(jià)格低廉的濾波器形成了一個(gè)重要的市場(chǎng)，這為微波濾波器的發(fā)展創(chuàng )造了很好的契機。微波濾波器作為系統中廣泛使用的無(wú)源器件之一，它的性能好壞將直接影響到整個(gè)系統的優(yōu)劣，而微帶濾波器則因其重量輕、成本低、易加工更被看重。微帶濾波器常采用的形式有發(fā)夾型、平行耦合線(xiàn)、梳狀線(xiàn)、交指型和微帶類(lèi)橢圓函數濾波器等。但是不同形式的濾波器往往存在著(zhù)各自的缺陷。例如平行耦合線(xiàn)濾波器由于各平行耦合節在一個(gè)方向上級聯(lián)，故尺寸較大；梳狀線(xiàn)濾波器和交指濾波器則需要過(guò)孔接地，這樣在高頻情況下就會(huì )不可避免的引入誤差；橢圓函數濾波器的設計過(guò)程比較復雜，較難實(shí)現；而發(fā)夾型諧振器通過(guò)適當的耦合拓撲結構實(shí)現的濾波器，一方面，它是半波長(cháng)耦合微帶線(xiàn)濾波器的一種改良結構，結構比較緊湊，易于集成、尺寸較��；另一方面，其耦合線(xiàn)終端開(kāi)路，無(wú)需過(guò)孔接地，這消除了過(guò)地孔引入的誤差。因此，它具有更好的電性能，因而在微波平面電路的設計中有著(zhù)良好的應用前景。 本文所研究的就是微帶發(fā)夾型濾波器，根據微帶濾波器設計的基本原理，并利用ADS在微帶濾波器設計中的優(yōu)化仿真功能，通過(guò)設計一個(gè)通帶為1．70～1．80G的帶通濾波器，詳細論述了微帶發(fā)夾型濾波器的通用設計方法。 2 發(fā)夾濾波器的綜合設計 2．1 諧振單元的奇偶模阻抗 發(fā)夾型濾波器以開(kāi)路式對稱(chēng)耦合微帶單元級聯(lián)而成，如圖l(a)所示，其A矩陣為： 其等效電路圖1(b)的A矩陣為： 式中，耦合諧振器帶通濾波器的導納倒置器的導納J為： 其中，gi為低通原型濾波器元件值，FBW為濾波器相對帶寬。 2．2 諧振器的耦合系數 耦合系數的計算精確與否直接關(guān)系到濾波器設計是否成功。因此，設計濾波器時(shí)，必須完成耦合系數的計算。兩個(gè)發(fā)夾型諧振器之間的耦合根據諧振器放置的相對位置可分為電耦合、磁耦合和混合耦合三種情況，如圖2所示。諧振器的間距s和相對位置偏移d決定了耦合系數的大小。 諧振器之間的耦合系數K可按下列式(5)進(jìn)行計算： fp1和fp2是當兩個(gè)諧振器間的中心面分別被定義為電壁和磁壁時(shí)的諧振頻率。 實(shí)際應用中，對于級聯(lián)型濾波器，計算相鄰諧振器間耦合系數一般使用下面的通用計算公式： 2．3 抽頭位置的確定 抽頭線(xiàn)發(fā)夾諧振器如圖3(a)所示，當忽略發(fā)夾型諧振器兩臂間自耦合的影響，可以得到其等效電路如圖3(b)所示。 抽頭位置l可由式(7)結合發(fā)夾諧振器的外部耦合系數式(8)是來(lái)確定。 上兩式中，l是指抽頭線(xiàn)到諧振器中間位置的距離，L=λg／4，R是抽頭線(xiàn)的特性阻抗，Z0是發(fā)夾線(xiàn)的特性阻抗，Ke是發(fā)夾諧振器的外部耦合系數。 3 設計實(shí)例 設計一個(gè)5節發(fā)夾型帶通濾波器，設計目標：中心頻率f0=1．75GHz帶寬為100MHz；帶內差損：>一2dB；帶內紋波：<0．1dB；帶外抑制：1．60GHz和1．90GHz時(shí)衰減<一40dB。選用FR4雙面敷銅板作為基板，厚度h=0．8mm，介電常數為4．8，損耗正切tanD=le一4，敷銅厚度M=0．035mm。 查表得波紋為0．1dB的5階ChebyShev低通原型濾波器滿(mǎn)足上述指標，其元件值為：g0=g6=1、g1=g5=0．7563、g2=g4=1．3049、g3=1．5773。根據以上參數，由(3)式和(4)式可得濾波器的奇、偶模阻抗，可由ADS中的linecalc計算出w、s、L的初值，見(jiàn)表1。 由(7)式與(8)式可估算抽頭位置：l=0．223L，這里取l=5．1mm。 根據以上參數進(jìn)行Momentunl設計與仿真。在仿真模型中用了3個(gè)優(yōu)化目標：1)通帶差損：S(2，1)>一2dB；2)通帶回波損耗：S(1，1)<一20dB；3)阻帶(<1．60GHz且>1．90GMHz)時(shí)，S(2，1)<一40dB。經(jīng)過(guò)數次優(yōu)化后，得到微帶發(fā)夾型濾波器版圖仿真結果如圖4所示。 4 實(shí)驗分析 ADS Momentum仿真是采用矩量法直接對電磁場(chǎng)進(jìn)行計算，其結果比在原理圖中仿真要準確，對設計也更有意義，但是它的計算比較復雜，需要較長(cháng)的時(shí)間；另外，還要考慮到受加工工藝的限制，在工程上一般要求線(xiàn)寬s和縫隙w要大于0．2mm。優(yōu)化時(shí)根據情況可對優(yōu)化目標、優(yōu)化變量的取值范圍、優(yōu)化方法及次數進(jìn)行適當的調整。從仿真結果圖可以看出，理論計算與實(shí)際設計有一定的差值，差損s(2，1)<一16dB，一般工程上要求s(2，1)<一13dB。所以本設計達到了工程應用的要求。 5 結束語(yǔ) 微帶發(fā)夾型濾波器具有尺寸小、易集成、成本低、設計較為簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在微波平面電路的設計中被一致看好，具有很好的實(shí)際應用價(jià)值。利用ADS設計方法擺脫了盲目性的人工調試，大大縮短了研制周期、減少了設計成本，并比較容易達到指標要求。 |
