杭州電子科技大學(xué)2011屆電子信息工程專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?011屆）</b></p><p>　　耦合式帶通射頻濾波器設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著民商用無(wú)線通信的迅猛發(fā)展，射頻微波電路受到越來(lái)越多的重

2、視和發(fā)展。而射頻耦合帶通濾波器作為微波器件的一種也得到了大力的發(fā)展，尤其是在接收機(jī)前端，帶通濾波器性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)接收機(jī)性能的好壞。因此，發(fā)展高性能，研究小型化的微波濾波器是當(dāng)前非常受關(guān)注的議題。本設(shè)計(jì)制作的濾波器就是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生，其制作過(guò)程簡(jiǎn)單明了，其結(jié)構(gòu)小巧便攜。本設(shè)計(jì)中心頻率在2GHz左右，正是民商用S波段，具有很高實(shí)用價(jià)值。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)的射頻耦合微帶帶通濾波器中，首先

3、，由要求的指標(biāo)確定濾波器階數(shù)，通過(guò)經(jīng)典濾波器理論查表確定相應(yīng)低通原型濾波器g參數(shù)，算出對(duì)應(yīng)奇偶模阻抗，再確定使用的板材參數(shù)，就能描繪出該濾波器大致雛形；然后，借助商用射頻微波EDA工具ADS2009對(duì)原理圖進(jìn)行優(yōu)化仿真，達(dá)到指標(biāo)要求，并留有一定裕量后，導(dǎo)出版圖，再對(duì)其進(jìn)行EM仿真，對(duì)比原理圖和版圖仿真結(jié)果的差異，給出具體的調(diào)試解決方案，如改變帶線尺寸、更換板材等，直至達(dá)到要求指標(biāo)。經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化，當(dāng)版圖EM仿真達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，且留有一定裕量

4、，就可把導(dǎo)出的版圖進(jìn)行實(shí)物PCB設(shè)計(jì)。</p><p>　　最終射頻耦合微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)果為：相對(duì)帶寬10%左右，在通帶2-2.2GHz內(nèi)大于-1dB，小于-20dB，在帶外1.2-1.6GHz和2.6-3GHz內(nèi)小于-40dB，趨于0dB，因而該濾波器具有帶內(nèi)耗損小，功率利用率高，頻率選擇性好，有工程應(yīng)用價(jià)值。且測(cè)試與仿真結(jié)果一致從而證實(shí)了設(shè)計(jì)理論的正確性。</p><p>　

5、　關(guān)鍵詞：射頻；帶通濾波器；平行耦合微帶線；ADS軟件</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the rapid development of commercial wireless communications, RF and microwave circuits gets more and more attention

6、 and development.The RF coupling bandpass filter has a strong development as one of microwave devices, especially in the receiver front-end, bandpass filter's performance will directly affect the entire receiver'

7、s performance is good or bad.Therefore, the development of high performance, miniaturization of microwave filters are very popular with the current issues of concern. T</p><p>　　In this design, to determine

8、the filter order by the required indicator, through the classical theory and look-up table to determine the appropriate low-pass prototype filter g parameters, calculate the even and odd mode impedance, and then be sure

9、of the sheet parameter, we can depict the general shape of the filter, and then with now widely used in RF and microwave EDA tools ADS2009 for schematic optimized for simulation of the target requirements and leave some

10、margin, export the layout, the</p><p>　　The final result is achieving a 10% relative bandwidth filter, in the passband 2-2.2GHz, is greater than-1dB, is less than-20dB, in the outside band 1.2-1.6GHz and 2

11、.6-3GHz, is less than-40dB, is tends to 0dB, so it proves that the filter has the practical value of industrial engineering. And the test results are consistent with the simulation, which verifies the correctness of the

12、 design theory.</p><p>　　Key words：RF；Bandpass filter；Parallel coupled microstrip；ADS</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　2

13、 濾波器網(wǎng)絡(luò)理論概述2</p><p>　　2.1 濾波器網(wǎng)絡(luò)基本理論2</p><p>　　2.2 S參量的定義和應(yīng)用及Smith圓圖2</p><p>　　2.3 散射參量的物理意義4</p><p>　　2.4 S參量的測(cè)量5</p><p>　　3 微帶線基礎(chǔ)理論6</p>

14、<p>　　3.1 微帶線基本特性6</p><p>　　3.2 微帶線損耗6</p><p>　　3.3 耦合微帶線7</p><p>　　3.4 微帶諧振原理9</p><p>　　3.5 微帶線匹配原理簡(jiǎn)介10</p><p>　　4 帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理12</p>

15、<p>　　4.1 歸一化低通原型濾波器12</p><p>　　4.2 契比雪夫帶通濾波器14</p><p>　　4.3 平行耦合帶通濾波器16</p><p>　　5 硬件電路的設(shè)計(jì)與制作17</p><p>　　5.1 平行耦合帶通濾波器設(shè)計(jì)流程概述17</p><p>　　5

16、.2 平行耦合帶通濾波器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)18</p><p>　　5.3 平行耦合帶通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)19</p><p>　　5.4 平行耦合帶通濾波器各參數(shù)尺寸理論計(jì)算19</p><p>　　5.5 平行耦合帶通濾波器原理圖仿真22</p><p>　　5.6 平行耦合帶通濾波器版圖E-M仿真25</p><

17、;p>　　6 實(shí)物的測(cè)量與調(diào)試29</p><p>　　6.1 平行耦合帶通濾波器調(diào)試29</p><p>　　6.2 平行耦合帶通濾波器的測(cè)試29</p><p>　　6.2.1 測(cè)試步驟29</p><p>　　6.2.2 測(cè)試結(jié)果分析32</p><p><b>　　7 結(jié)論

18、33</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　在科技高速發(fā)展的最近幾年來(lái)，隨著民用商用無(wú)線通信的迅猛發(fā)展，射頻微波電路越來(lái)越得到

19、重視和發(fā)展。而微波帶通濾波器作為微波器件的一種也得到了大力的發(fā)展，尤其是在通信系統(tǒng)的接收機(jī)前端，帶通濾波器性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)接收機(jī)性能的好壞。因此，發(fā)展高性能，研究小型化的微波濾波器是當(dāng)前非常受關(guān)注的課題。同時(shí)由于在通迅、雷達(dá)、微波等部門，多頻率工作越來(lái)越普遍，對(duì)分隔頻率的要求也相應(yīng)地提高，所以需用大量的濾波器[2]。</p><p>　　微波濾波器作為濾波器的一種，在移動(dòng)通信中有著廣泛的應(yīng)用。在射頻端有源

20、電路中輸入輸出各級(jí)之間普遍存在，各濾波器都有不同的功能和特性要求。濾波器在各種系統(tǒng)中的各位置都起著舉足輕重的作用。</p><p>　　帶通濾波器(BPF)是濾波器中使用最多、最重要也是較難設(shè)計(jì)的一種濾波器。作為一種體積小、重量輕和可靠性高的微波集成電路(MIC)電路單元，微帶帶通濾波器在電子系統(tǒng)尤其是通信領(lǐng)域被廣泛使用。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，微帶濾波器的種類日益增多。它們性能各異，設(shè)計(jì)方法也有所不同。</p

21、><p>　　現(xiàn)在射頻微波電路的高度集成，尤其是單片微波集成芯片(MMIC)的發(fā)展，使得用微帶線來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)在電路板上傳輸成為普遍。從而具有分布參數(shù)的微帶線電路在射頻微波領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。利用微帶線來(lái)實(shí)現(xiàn)各種模塊功能的技術(shù)越來(lái)越得到發(fā)展和成熟。</p><p>　　其中微帶線帶通濾波器品種繁多，性能各異，是一種在射頻微波通信電路中被廣泛研究的濾波器類型。因此，鑒于分布參數(shù)的微帶線濾波器的

22、重要性，本設(shè)計(jì)將在對(duì)微帶線濾波器進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，利用仿真軟件ADS對(duì)由微帶線、耦合微帶線所構(gòu)成的微帶線濾波器進(jìn)行研究并設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)首先介紹了微波濾波器的發(fā)展歷史以及微波仿真軟件ADS。然后分析了微帶濾波器的二端口網(wǎng)絡(luò)理論以及微帶線的傳輸特性。再對(duì)構(gòu)成濾波器的基本原理以及低通到帶通的轉(zhuǎn)換、構(gòu)成濾波器的傳輸線結(jié)構(gòu)等方面的內(nèi)容進(jìn)行了闡述。最后該設(shè)計(jì)基于仿真軟件ADS和推導(dǎo)公式的基礎(chǔ)上，介紹了微帶線濾波器的設(shè)計(jì)方法，并相應(yīng)設(shè)計(jì)了端口耦合帶

23、通濾波器，同時(shí)借助ADS軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的微帶線濾波器進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，最終得到比較理想的微帶線帶通濾波器。</p><p>　　2 濾波器網(wǎng)絡(luò)理論概述</p><p>　　2.1 濾波器網(wǎng)絡(luò)基本理論</p><p>　　濾波器是一種二端口網(wǎng)絡(luò)，它具有選擇頻率的特性，即可以讓某些頻率順利通過(guò)，而對(duì)其它頻率加以阻攔。</p><p>　　在微波

24、工程的許多領(lǐng)域中，濾波網(wǎng)絡(luò)是濾波器的基本構(gòu)造單元，在微波許多系統(tǒng)和設(shè)備中，網(wǎng)絡(luò)被用作選擇或分離不同頻段的信號(hào)。雖然，實(shí)現(xiàn)微波濾波器的物理尺寸是不斷變化的，但其電路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常常是固定的。濾波器常?？梢钥闯墒且环N二端口網(wǎng)絡(luò)。微波網(wǎng)絡(luò)是研究微波元器件的一種方法，其目的是根據(jù)微波元件的結(jié)構(gòu)，求得反向等效電路，推導(dǎo)它的工作特性。這就是微波網(wǎng)絡(luò)的分析。另一是根據(jù)微波元件的工作特性，綜合出它的等效電路，最后用微波結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)它。這就是微波網(wǎng)絡(luò)的綜

25、合。微波網(wǎng)絡(luò)的分析和綜合是現(xiàn)在從事微波工程技術(shù)人員所必須掌握的基本方法[9]。</p><p>　　2.2 S參量的定義和應(yīng)用及Smith圓圖</p><p>　　在大多數(shù)涉及射頻微波系統(tǒng)的技術(shù)資料和電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常用到散射參數(shù)，因?yàn)閷?shí)際射頻系統(tǒng)的特性已不能再采用終端開路、短路的測(cè)量方法，頻率達(dá)到50OMHz以上后導(dǎo)線本身就存在電感，而且電感在高頻下非常大，此外開路情況下在終端也會(huì)形成負(fù)

26、載電容。無(wú)論哪種情況，用于確定Z參量、Y參量、H參量以及ABCD參量所必需的開路、短路條件都不再能夠嚴(yán)格成立。另外，當(dāng)涉及電波傳播現(xiàn)象時(shí)也不希望反射系數(shù)的模等于1。例如，終端的不連續(xù)性將導(dǎo)致有害的電壓、電流波的反射，并產(chǎn)生可能造成器件損壞的振蕩。但是利用S參數(shù)，射頻電路設(shè)計(jì)者可以在避開不現(xiàn)實(shí)的終端條件以及避免造成待測(cè)器件損壞的前提下，用兩端口網(wǎng)絡(luò)的分析方法來(lái)確定幾乎所有射頻器件的特征。</p><p>　　簡(jiǎn)單的

27、說(shuō)，S參量表達(dá)的是電壓波，它使我們可以用入射電壓波和反射電壓波的方式定義網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出關(guān)系。根據(jù)。根據(jù)圖2-1可以歸一化入射電壓波和歸一化反射電壓波如下:</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　其下標(biāo)n為端口編號(hào)1或2，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，連接在網(wǎng)絡(luò)輸

28、入、輸出端口的傳輸線特性阻抗都為[1]。</p><p>　　圖2-1雙端口網(wǎng)絡(luò)[1]</p><p>　　變換式（2-1）與（2-2），可得到電壓、電流關(guān)系如下：</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>

29、;　　因?yàn)槲⒉ㄏ到y(tǒng)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的恒壓源和恒流源，所以電壓和電流在微波頻率下失去明確的物理意義。另外，這三種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的測(cè)量不是要求端口開路就是要求端口短路，這在微波頻率下：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　或簡(jiǎn)寫為；</b></p><p>　　式中，稱為雙端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣，簡(jiǎn)

30、稱[S]矩陣，它的各參數(shù)意義分別如下：</p><p>　　；表示端口2匹配時(shí)，端口1的反射系數(shù)。</p><p>　　；表示端口1匹配時(shí)，端口2的反射系數(shù)。</p><p>　??；表示端口1匹配時(shí)，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)。</p><p>　?。槐硎径丝?匹配時(shí)，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)。</p><p>

31、　　可見，[S]矩陣的各參數(shù)是建立在端口接匹配負(fù)載基礎(chǔ)上的反射系數(shù)或傳輸系數(shù)。這樣利用網(wǎng)絡(luò)輸入輸出端口的參考面上接匹配負(fù)載即可測(cè)得散射矩陣的各個(gè)參量[2]。</p><p><b>　　對(duì)于互易網(wǎng)絡(luò)：=；</b></p><p><b>　　對(duì)于對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)：=；</b></p><p><b>　　對(duì)于無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)：；

32、</b></p><p>　　其中，是[S]的轉(zhuǎn)置共軛矩陣，[I]為單位矩陣。</p><p>　　另外，工程上經(jīng)常用的回波損耗和插入損耗與[S]參數(shù)的關(guān)系可表達(dá)為：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　（2-7）</b></p>&

33、lt;p>　　在此也必須提一下Smith圓圖，因其廣泛實(shí)際的應(yīng)用。</p><p>　　史密斯圖(Smith chart)是一款用于電機(jī)與電子工程學(xué)的圖表，主要用于傳輸線的阻抗匹配上。在復(fù)平面上采用雙線性變換.實(shí)部 r=常數(shù)和虛部 x＝常數(shù)，兩族正交直線變化為正交圓并與反射系數(shù)|G|=常數(shù)和虛部x＝常數(shù)套用而成。</p><p>　　該圖表是由菲利普·史密斯(Phillip

34、 Smith)于1939年發(fā)明的，當(dāng)時(shí)他在美國(guó)的RCA公司工作。史密斯也許不是圖表的第一位發(fā)明者，一位名為Kurakawa的日本工程師聲稱早于其一年發(fā)明了這種圖表。史密斯曾說(shuō)過(guò)，“在我能夠使用計(jì)算尺的時(shí)候，我對(duì)以圖表方式來(lái)表達(dá)數(shù)學(xué)上的關(guān)聯(lián)很有興趣?！?lt;/p><p>　　當(dāng)中的Γ代表其線路的反射系數(shù)(reflection coefficient)，即S-parameter里的，是歸一負(fù)載值，是電路的負(fù)載值是傳輸線

35、的特性阻抗值，通常會(huì)使用50Ω。圖表中的圓形線代表電阻抗力的實(shí)數(shù)值，即電阻值，中間的橫線與向上和向下散出的線則代表電阻抗力的虛數(shù)值，即由電容或電感在高頻下所產(chǎn)生的阻力，當(dāng)中向上的是正數(shù)，向下的是負(fù)數(shù)。圖表最中間的點(diǎn)(1+j0)代表一個(gè)已匹配(matched)的電阻數(shù)值()，同時(shí)其反射系數(shù)的值會(huì)是零。圖表的邊緣代表其反射系數(shù)的長(zhǎng)度是1，即100%反射。在圖邊的數(shù)字代表反射系數(shù)的角度(0-180度)和波長(zhǎng)(由零至半個(gè)波長(zhǎng))。有一些圖表是以導(dǎo)

36、納值(admittance)來(lái)表示，把上述的阻抗值版本旋轉(zhuǎn)180度即可。</p><p>　　自從有了計(jì)算機(jī)后，此種圖表的使用率隨之而下，但仍常用來(lái)表示特定的資料。對(duì)于就讀電磁學(xué)及微波電子學(xué)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，在解決課本問(wèn)題仍然很實(shí)用，因此史密斯圖至今仍是重要的教學(xué)用具。</p><p>　　在學(xué)術(shù)論文里，量度儀器的結(jié)果也常會(huì)以史密斯圖來(lái)表示。</p><p>　　2.3

37、 散射參量的物理意義</p><p>　　要確定S參量只能在輸入、輸出端口完全匹配的條件下才能確定。也就是說(shuō)，當(dāng)要測(cè)量和時(shí)，就要先確保輸出端口特性阻抗為的傳輸線處于匹配狀態(tài)，即形成的情況[2]。電路如圖2-2所示:</p><p>　　圖2-2測(cè)量S參數(shù)電路圖</p><p>　　在圖2-2中，使2端口負(fù)載與傳輸線特性阻抗匹配。采用這種測(cè)試系統(tǒng)就可以通過(guò)求解輸入反射

38、系數(shù)來(lái)計(jì)算：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　然后令2端口有適當(dāng)?shù)慕K端條件，可知：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　由于，可以令2端口的正向電壓波和正向電流波為零。用信號(hào)源電壓與信號(hào)源內(nèi)阻上的電壓降之差替代可得:</p&g

39、t;<p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　由此可見，2端口的電壓與信號(hào)源電壓有直接關(guān)系，可以表示網(wǎng)絡(luò)的正向電壓增益。</p><p>　　2.4 S參量的測(cè)量</p><p>　　對(duì)于互易雙端口網(wǎng)絡(luò)，，故只要測(cè)量求得、和三個(gè)量就可以了。要確定S參量只能在輸入、輸出端口完全匹配的條件下才能確定。也就是說(shuō)，當(dāng)

40、要測(cè)量、和時(shí)，就要先確保輸出端口特性阻抗為的傳輸線處于匹配狀態(tài)，即形成的情況[2]。</p><p>　　兩端口網(wǎng)絡(luò)S參量的測(cè)量需要涉及行波在兩個(gè)端口的反射和傳輸。最常用的方法之一是采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。測(cè)量時(shí)，一般由3個(gè)通道，R通道用于測(cè)量入射波，同時(shí)也作為參考端口。A通道和B通道用于測(cè)量反射波和傳輸波。即和的數(shù)值可以分別通過(guò)計(jì)算和的比值得到。若要測(cè)量時(shí)，只要將待測(cè)網(wǎng)絡(luò)即本文中濾波器網(wǎng)絡(luò)反過(guò)來(lái)連接就可。</

41、p><p>　　3 微帶線基礎(chǔ)理論</p><p>　　微帶線是由沉積在介質(zhì)基片上的金屬導(dǎo)體帶和接地板構(gòu)成的一個(gè)特殊傳輸系統(tǒng)。微帶線是微波集成電路(MIC)中使用最多的一種傳輸線，隨著MIC的日益的進(jìn)步，微帶電路在微波中的地位也越來(lái)顯著。微帶線可印制在很薄的介質(zhì)基片上(可以薄到lmm以下)，故其橫截面尺寸比波導(dǎo)、同軸線要小得多。其縱向尺寸雖和工作波長(zhǎng)可以比擬，也可以方便地解決匹配問(wèn)題。當(dāng)設(shè)計(jì)

42、時(shí)采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基片，還可使線上的波長(zhǎng)比自由空間波長(zhǎng)小了幾倍，同時(shí)整個(gè)微帶元件共用接地板，只須由導(dǎo)體帶條構(gòu)成電路圖形，使整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)大為緊湊。由于上述原因，微帶電路較好地解決了小型化問(wèn)題，與波導(dǎo)、同軸線元件相比，大大地減小了體積、重量，因而使電路的結(jié)構(gòu)和工藝大為簡(jiǎn)化。</p><p>　　基本微帶線的立體結(jié)構(gòu)圖：</p><p>　　圖3-1基本微帶線結(jié)構(gòu)圖</p>

43、<p>　　3.1 微帶線基本特性</p><p>　　由于微帶線是由平行雙線演變而來(lái)，但因?qū)w之間夾入了介質(zhì)基片，使情況復(fù)雜化。用電磁場(chǎng)原理可以證明:這時(shí)微帶線傳輸?shù)碾姶挪ú皇羌兇獾臋M電磁波，而會(huì)含有各種雜型波。但如果盡量縮小微帶橫截面尺寸，即帶條寬度W和基片高度h均遠(yuǎn)小于其中工作波長(zhǎng)，為基片材料對(duì)真空的有效介電常數(shù)，我們可以近似地看成為TEM波[11]。</p><p>　

44、　3.2 微帶線損耗</p><p>　　損耗是傳輸線的重要參量之一。微帶線與波導(dǎo)和同軸線相比傳輸線上的損耗要大得多，在構(gòu)成微帶電路元件時(shí)，其影響必須予以重視[11]。下面介紹一下微帶線的損耗分成三部分:</p><p>　　(1)介質(zhì)損耗，當(dāng)電場(chǎng)通過(guò)介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)分子交替極化和晶格來(lái)回碰撞，而產(chǎn)生的熱損耗。為了減小這部分損耗，應(yīng)選擇性能優(yōu)良的介質(zhì)如氧化鋁瓷、藍(lán)寶石、石英等，作為基片材

45、料。</p><p>　　(2)導(dǎo)體損耗，微帶線的導(dǎo)體帶條和接地板均具有有限的電導(dǎo)率，電流通過(guò)時(shí)必然引起熱損耗。在高頻情況下，趨膚效應(yīng)減小了微帶導(dǎo)體的有效截面積，更增大了這部分損耗。由于微帶線橫截面尺寸遠(yuǎn)小波導(dǎo)和同軸線，導(dǎo)體損耗也較大，這也是微帶線損耗的主要部分。</p><p>　　(3)輻射損耗，由微帶線場(chǎng)結(jié)構(gòu)的半開放性所引起。減小線的橫截面尺寸時(shí)，這部分損耗即很小，而只在微帶線的不均

46、勻點(diǎn)才比較顯著。為避免輻射，減小衰減，并防止對(duì)其它電路的影響，一般的微帶電路均裝在金屬屏蔽盒中。</p><p>　　3.3 耦合微帶線</p><p>　　微波集成電路中，在標(biāo)準(zhǔn)微帶中再加一帶條就構(gòu)成耦合微帶。耦合微帶線除了用它們來(lái)構(gòu)成振蕩回路，定向耦合器，移相器，阻抗變換器以及平衡不平衡變換器等基本元件外，微帶型濾波器更是利用其特性來(lái)構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)的各種種類的濾波器[2，11]。<

47、;/p><p>　　耦合微帶線的橫截面如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2耦合微帶線橫截面[11]</p><p>　　耦合微帶線的俯視圖及相關(guān)尺寸如圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3耦合微帶線俯視圖</p><p>　　與標(biāo)準(zhǔn)微帶一樣，由于耦合微帶中的介質(zhì)是有基片和空氣的混合介質(zhì)，故耦合微帶中不存在純

48、的TEM波，但因其縱向分量很小，可以看成是準(zhǔn)TEM波，即耦合微帶的傳輸波的主模是準(zhǔn)TEM波。</p><p>　　分析耦合微帶線的主模傳輸特性，常把任意激勵(lì)的耦合微帶線分成兩種對(duì)稱激勵(lì)方式來(lái)計(jì)算，一種是用等幅同相電壓Ve激勵(lì)，稱為偶模激勵(lì);另一種是用等幅反相電壓Vo激勵(lì)，稱為奇模激勵(lì)。所以耦合微帶線的任何一種激勵(lì)就可以由這兩種激勵(lì)疊加而得。奇、偶模激勵(lì)時(shí)，耦合微帶中的電、磁場(chǎng)分布如圖3-4所示。偶模激勵(lì)時(shí)，中心對(duì)

49、稱面上只有垂直分量、電場(chǎng)切線分量，因而中心對(duì)稱面為磁壁;奇模激勵(lì)時(shí)，中心對(duì)稱面上只有電場(chǎng)垂直分量、磁場(chǎng)切線分量，因而中心對(duì)稱面為電壁。由于場(chǎng)分布不同，故奇、偶模的參量也不同[2，11]。</p><p>　　圖3-4耦合微帶線奇偶模磁電場(chǎng)分布</p><p>　　仿標(biāo)準(zhǔn)微帶，引入奇、偶模有效介電常數(shù)：</p><p><b>　　（3-1）</b&g

50、t;</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中的和分別為奇、偶模介質(zhì)填充系數(shù)。于是耦合微帶的奇、偶模特性阻抗為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　（3-4）</b></p><p&g

51、t;　　上式中，和分別為空氣耦合微帶的奇、偶模特性阻抗。和分別代表耦合微帶(介質(zhì)基片相對(duì)介電常數(shù))的奇、偶模單位長(zhǎng)度分布電容。</p><p>　　關(guān)于耦合微帶的奇偶模特性阻抗的精確求解的方法很多，這里就不詳細(xì)的一一介紹了。其實(shí)我們可以從圖容易看出，實(shí)際設(shè)計(jì)中直接涉及的參量是，他們均是耦合微帶幾何尺寸w、S、h和t的函數(shù)。在給出不同基片(即不同參數(shù))的耦合微帶以及在一定的耦合縫隙S時(shí)，特性阻抗與W/h存在著一一對(duì)

52、應(yīng)關(guān)系。利用這層關(guān)系，根據(jù)不同的參數(shù)，就可以繪制出不同的特性曲線，進(jìn)而可求得我們所設(shè)計(jì)微帶條尺寸W和S。其實(shí)例可由如下圖3-5所示，每一個(gè)微帶尺寸就相應(yīng)對(duì)著一對(duì)奇偶模阻抗。</p><p>　　圖3-5耦合微帶線奇偶模特性阻抗[11]</p><p>　　3.4 微帶諧振原理</p><p>　　微帶傳輸線諧振器是由一段開路或短路微帶線構(gòu)成，其電路如下圖3-6所示

53、。</p><p>　　圖3-6微帶線傳輸線及負(fù)載連接結(jié)構(gòu)</p><p>　　計(jì)算傳輸線上某點(diǎn)的反射系數(shù)公式為:</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　上式中，和分別是我們研究傳輸線上的反射波電壓和入射波電壓。指數(shù)項(xiàng)表示經(jīng)傳輸一段距離后在相位上引起的滯后，是終端負(fù)載。顯然在終端即時(shí)，當(dāng)滿足

54、或者，則有，此時(shí)電磁波在開路端或短路端上全反射，在微帶線上形成駐波，從而發(fā)生諧振。理想的微帶線諧振器如下圖3-7所示，圖3-7（a）是終端短路式，圖3-7（b）是終端開路式。兩者互為對(duì)偶，所以我們可以只討論其中的一種，按照對(duì)偶定理另一種即可推得[1]。</p><p>　　圖3-7微帶諧振電路</p><p>　　由上圖可知，隨著微帶線諧振長(zhǎng)度的不同，輸入阻抗的特性就不一樣，在此有兩種極端

55、情況：</p><p>　　(1)當(dāng) (n=1,2,3……)時(shí)，則輸入阻抗變?yōu)?lt;/p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　在該諧振器電路中，一般為半波長(zhǎng)活四分之一波長(zhǎng)，且微帶線本身的衰減常數(shù)也很小，所以我們可以近似看成,故此時(shí)的輸入阻抗，形成串聯(lián)諧振。</p><p>　　(2)當(dāng) (n=1,2

56、,3……)時(shí)，則輸入阻抗變?yōu)?lt;/p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　同理可得到，故此時(shí)的輸入阻抗，形成并聯(lián)諧振[1]。</p><p>　　3.5 微帶線匹配原理簡(jiǎn)介</p><p>　　廣義上的阻抗匹配當(dāng)負(fù)載阻抗和信號(hào)源阻抗共軛，即實(shí)現(xiàn)功率的最大傳輸時(shí)滿足式子：</p>&

57、lt;p>　　= （3-8）</p><p>　　在射頻微波電路中通常使用發(fā)射系數(shù)描述阻抗，用波的概念來(lái)描述信號(hào)大小。一般情況下，負(fù)載與信號(hào)源是不匹配的，需要增加一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)，與負(fù)載組合起來(lái)形成一個(gè)等效負(fù)載。如下圖3-8所示，入射波為，反射波為，等效的反射系數(shù)為:</p><p><b>　?。?-9）</b>

58、;</p><p>　　信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的波幅為，即第一個(gè)入射波為，的反射波為,那么的反射波為，依次類推，朝著信號(hào)發(fā)生器方向的反射波總和為:</p><p><b>　　（3-10）</b></p><p>　　圖3-8信號(hào)源端口的反射波</p><p>　　所以可得負(fù)載功率的公式為：</p><p&g

59、t;<b>　　（3-11）</b></p><p>　　所以，就是阻抗共軛匹配的一種等效方法，在射頻微波電路中經(jīng)常會(huì)用到[1]。</p><p>　　4 帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理</p><p>　　4.1 歸一化低通原型濾波器</p><p>　　集總元件低通原型濾波器是用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法設(shè)計(jì)微波濾波器的基礎(chǔ)，各種低通

60、、高通、帶通、帶阻微波濾波器，其傳輸特性大都是根據(jù)此原型特性推導(dǎo)出來(lái)的。正因如此才使微波濾波器的設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，精度得以提高[4,5,8]。</p><p>　　首先我們先看低通原型濾波器的頻率-衰減特性，如下圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1低通原型濾波器的頻率-衰減特性[4]</p><p>　　圖中橫坐標(biāo)以分貝為單位，為衰減度，，為通帶內(nèi)最大衰減度。為

61、歸一化截止頻率，當(dāng)歸一化頻率大于時(shí)為阻帶反之為通帶。</p><p>　　圖4-2（a）低通原型濾波器[4]</p><p>　　圖4-2（b）低通原型濾波器[4]</p><p>　　低通原型濾波器梯形電路結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。上圖兩者都可以用作低通原型濾波器，其響應(yīng)相同。由于該電路是可逆的，故既可以把左邊的電阻看成信號(hào)源內(nèi)阻，也可以把右邊的電阻看成信號(hào)源的內(nèi)阻。圖

62、中各元件的物理意義如下:</p><p>　　為串聯(lián)電感或并聯(lián)電容值。</p><p>　　在圖4-2（a）中，為信號(hào)源的內(nèi)電導(dǎo)，而在圖4-2（b）中，為信號(hào)源的內(nèi)電阻，而對(duì)于，當(dāng)最后一個(gè)元件是并聯(lián)電容時(shí)，為負(fù)載電阻值;當(dāng)最后一個(gè)元件是串聯(lián)電感時(shí)為負(fù)載電導(dǎo)值。</p><p>　　等波紋濾波器的設(shè)計(jì)思想就是用切比雪夫多項(xiàng)式來(lái)描述濾波器插入損耗的函數(shù)特征：</p

63、><p><b>　　(4-1)</b></p><p><b>　　上式中：</b></p><p><b>　　(4-2)</b></p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　那么，在內(nèi)，即切比雪夫通帶內(nèi)波紋

64、的幅度就可以根據(jù)上二式，適當(dāng)選擇a來(lái)控制。顯然，=1時(shí)，通帶內(nèi)的最大衰減是</p><p><b>　　(4-4)</b></p><p><b>　　即可有：</b></p><p><b>　　(4-5)</b></p><p>　　其中為波紋指標(biāo)，若需要波紋值為1dB，則

65、根據(jù)上式可得：</p><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　通帶內(nèi)的波紋越大則通帶到阻帶的過(guò)渡就越陡峭。即波紋大小與陡峭是沖突的，應(yīng)當(dāng)在滿足帶外衰減的基礎(chǔ)上合理的選擇a的值，使波紋盡可能的小。當(dāng)知道濾波器的帶外截止衰減時(shí)，我們可以計(jì)算出低通原型所需的元件數(shù)。</p><p><b>　　此時(shí)滿足關(guān)系式</

66、b></p><p><b>　　(4-7)</b></p><p>　　將式代入上式不等式，可得到</p><p><b>　　(4-8)</b></p><p>　　所需濾波器階數(shù)為N=[n]+1，從而可得到集中參數(shù)電路結(jié)構(gòu)。同時(shí)，可以根據(jù)上面的式子可以發(fā)現(xiàn)，濾波器的階數(shù)跟截止頻率的衰減度

67、以及通帶內(nèi)的波紋指數(shù)有關(guān)。其關(guān)系是當(dāng)在一定的階數(shù)即N不變時(shí)，通帶內(nèi)的波紋越大，其截止頻率處的衰減度就越大;反之衰減度就越小[4,5]。當(dāng)在一定的波紋指標(biāo)下，從圖4-3中看出，</p><p>　　歸一化頻率確定后，相應(yīng)的衰減度就對(duì)應(yīng)著濾波器的階數(shù)。</p><p>　　圖4-3紋波為3dB的契比雪夫?yàn)V波器衰減特性[4]</p><p>　　要使在截止頻率處的衰減度加

68、大時(shí)，可通過(guò)增加濾波器的階數(shù)來(lái)滿足。</p><p>　　當(dāng)確定好所設(shè)計(jì)濾波器的階數(shù)以及波紋指標(biāo)，就可以根據(jù)切比雪夫元件值表查出元件的歸一化值，如下表4-1為波紋指數(shù)0.ldB的元件值表:</p><p>　　表4-1紋波指數(shù)為0.1dB的N階元件值</p><p>　　由此表值就可進(jìn)一步計(jì)算出奇偶模阻抗。所以濾波器的階數(shù)以及波紋指標(biāo)，一定要首先確定后，這是個(gè)循序漸

69、進(jìn)的過(guò)程。</p><p>　　4.2 契比雪夫帶通濾波器</p><p>　　根據(jù)所設(shè)計(jì)濾波器的指標(biāo)而確定低通原型的電路結(jié)構(gòu)后，再由低通原型濾波器經(jīng)過(guò)頻率變換，就可得到低通、高通、帶通和帶阻四種濾波器[4]。</p><p>　　下面為從低通原型濾波器到帶通時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率關(guān)系，從圖4-4中可以看到當(dāng)為上邊頻或下邊頻時(shí)，，而當(dāng)或者時(shí)，。</p><

70、;p>　　圖4-4低通原型濾波器帶通時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率關(guān)系</p><p>　　由此可以得到歸一化頻率到實(shí)際頻率的映射關(guān)系式</p><p><b>　　(4-9)</b></p><p>　　其中心頻率計(jì)算公式：</p><p><b>　　(4-10)</b></p><p&

71、gt;<b>　　其相對(duì)帶寬BW為：</b></p><p><b>　　(4-11)</b></p><p>　　它的變換式可得如下：</p><p><b>　　(4-12)</b></p><p>　　頻率變換關(guān)系映射區(qū)域如下：</p><p>&

72、lt;b>　　,,</b></p><p><b>　　,。</b></p><p>　　同樣可觀察到低通原型的電容元件變換到帶通濾波器中成了電感和電容相并聯(lián)。</p><p>　　下圖4-5給出了低通原型向帶通濾波器的變換關(guān)系：</p><p>　　圖4-5低通原型濾波器向帶通轉(zhuǎn)化時(shí)對(duì)應(yīng)的關(guān)系[4]&

73、lt;/p><p>　　所以通過(guò)頻率變換，就可以設(shè)計(jì)出集總參數(shù)的帶通濾波器，上圖中的變換關(guān)系為：</p><p><b>　　,,,。</b></p><p>　　除了以上的頻率變換外，還必須注意此時(shí)源阻抗和負(fù)載阻抗均為1，所以要徹底將歸一化元器件參數(shù)變成實(shí)際值時(shí)，就必須在上面頻率變換的基礎(chǔ)上對(duì)所有阻抗表達(dá)式做比例變換。將實(shí)際電阻倍乘濾波器元件參數(shù)

74、。即：</p><p><b>　　,。</b></p><p>　　4.3 平行耦合帶通濾波器</p><p>　　微波帶通濾波器是一種被廣泛研究的微波濾波器類型，它的品種繁多，性能各異，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一。濾波器在電子電路和系統(tǒng)中的作用是選擇某一頻帶內(nèi)的有用信號(hào)，并把此頻帶之外的無(wú)用信號(hào)抑制掉，微帶線型濾波器是一種分布參數(shù)濾波

75、器，它是由微帶線或耦合微帶線組成，具有體積小、重量輕、價(jià)格低、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在微波工程中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。在前面低通原型理論的基礎(chǔ)上，下面將介紹微帶型帶通濾波器的一些結(jié)構(gòu)形式及它們的設(shè)計(jì)步驟[4]。</p><p>　　在微帶帶通濾波器中，也經(jīng)常用半波長(zhǎng)平行耦合諧振電路來(lái)級(jí)聯(lián)形成帶通濾波器。其濾波器的結(jié)構(gòu)形式可參考下面生成的版圖，此種濾波器的結(jié)構(gòu)形式使相鄰的半波長(zhǎng)諧振單元彼此平行排列，其耦合值的大小通過(guò)相鄰平

76、行耦合線間的距離來(lái)決定。因而，同上一節(jié)介紹的終端耦合微帶線濾波器相比，這種結(jié)構(gòu)形式的濾波器更易用來(lái)制造帶通濾波器.這種類型濾波器的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程如下:</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　　其中：</b></

77、p><p><b>　?。?-15）</b></p><p><b>　　（4-16）</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　以上式中為低通原型濾波器歸一化值，其值的確定由上一節(jié)理論知識(shí)獲得。其中BW是帶通濾波器的相對(duì)帶寬，是J變換的特性導(dǎo)納

78、。</p><p>　　5 硬件電路的設(shè)計(jì)與制作</p><p>　　5.1 平行耦合帶通濾波器設(shè)計(jì)流程概述</p><p>　　平行耦合微帶線濾波器是一種分布參數(shù)濾波器，它是由微帶線或耦合微帶線組成，其具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低、可靠性高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此在微波集成電路中，它是一種被廣為應(yīng)用的帶通濾波器。在以往設(shè)計(jì)各種濾波器時(shí)，往往需要根據(jù)大量復(fù)雜的經(jīng)驗(yàn)

79、公式計(jì)算及查表來(lái)確定濾波器的各級(jí)參數(shù)，這樣的方法不但復(fù)雜繁瑣，而且所設(shè)計(jì)濾波器往往性能指標(biāo)難以達(dá)到要求。本文將先進(jìn)的微波電路仿真軟件ADS2009與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相結(jié)合設(shè)計(jì)一個(gè)平行耦合微帶線濾波器，并進(jìn)行建模、仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)[6,7]。</p><p>　　為設(shè)計(jì)出符合要求的帶通濾波器，可以將傳統(tǒng)的平行耦合微帶線設(shè)計(jì)方法與先進(jìn)的微波電路仿真軟件ADS2009相結(jié)合，使全部設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)換成實(shí)際的濾波器設(shè)計(jì)，圖5-1就

80、是平行耦合微帶線濾波器的設(shè)計(jì)的流程圖。</p><p>　　圖5-1平行耦合微帶濾波器的設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　5.2 平行耦合帶通濾波器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)</p><p>　　邊緣耦合的平行耦合線由兩條相互平行且靠近的微帶線構(gòu)成，單個(gè)帶通濾波器單元如圖5-2(a)所示。根據(jù)傳輸線理論及帶通濾波器理論，帶通濾波元件是由串臂上的諧振器和并臂上的諧振器來(lái)完成，但是在微帶

81、上實(shí)現(xiàn)相間的串聯(lián)和并聯(lián)諧振元件尤為困難，為此可采用倒置轉(zhuǎn)換器將串并聯(lián)電路轉(zhuǎn)化為諧振元件全部串聯(lián)或全部并聯(lián)在線上。因此，單個(gè)耦合微帶濾波器單元能夠等效成如圖 5-2 (b)所示的一個(gè)導(dǎo)納倒置轉(zhuǎn)換器和接在兩邊傳輸線段的組合。</p><p>　　圖5-2耦合線單元及其等效電路</p><p>　　這種單獨(dú)耦合線節(jié)單元雖然具有典型的帶通濾波器的特性，但是單個(gè)帶通濾波單元難以具有良好的濾波器響應(yīng)及

82、陡峭的通帶—阻帶過(guò)度。因此，通常情況下，采取級(jí)聯(lián)多個(gè)這些基本耦合單元來(lái)構(gòu)成實(shí)用的濾波器。如圖5-3示為一級(jí)聯(lián)耦合微帶線節(jié)單元構(gòu)成的帶通濾波器的典型結(jié)構(gòu)，其每一個(gè)耦合線節(jié)左右對(duì)稱，長(zhǎng)度約為四分之一波長(zhǎng)(對(duì)中心頻率而言)。帶通濾波器有N + 1個(gè)圖5-3示的耦合線帶通濾波器單元構(gòu)成。這N+1階濾波器兩端分別已加兩條微帶線，這樣做的目的是防止中心頻率漂移，因?yàn)轳詈蠁卧Ь€開路端邊緣效應(yīng)的影響，兩端各加一條微帶后，就能抵消這種負(fù)面效應(yīng)。所以最

83、終實(shí)際設(shè)計(jì)效果圖就如圖5-3所示，在基礎(chǔ)耦合微帶兩端各加一段微帶線。</p><p>　　此外，這里采用契比雪夫式帶通濾波器，是因其阻帶內(nèi)插入衰減上升快，在同樣情況下，采用契比雪夫式帶通濾波器需要元器件數(shù)目更少，便于調(diào)整。</p><p>　　圖5-3級(jí)聯(lián)耦合微帶線帶通濾波器</p><p>　　耦合線帶通微帶濾波器的階數(shù)越高，其矩形系數(shù)越好，越接近理想濾波器，但是

84、其參數(shù)會(huì)變壞，甚至達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，所以設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮[7]。</p><p>　　5.3 平行耦合帶通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)</p><p>　　中心頻率為2.1GHz，帶通段為：2.0GHz-2.2GHz；在通帶內(nèi)要求>-1.5dB，<-10dB,輸入輸出端口電壓駐波比VSWR<1.5；帶阻要求：小于1.6GHz頻段, <-20dB，大于2.6GHz頻段, <-

85、20dB。</p><p>　　5.4 平行耦合帶通濾波器各參數(shù)尺寸理論計(jì)算</p><p>　　由歸一化頻率到實(shí)際頻率的映射關(guān)系式：</p><p><b>　　（5-1）</b></p><p>　　其中心頻率計(jì)算公式：</p><p><b>　?。?-2）</b>&

86、lt;/p><p><b>　　其相對(duì)帶寬BW為：</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　它的變換式可得如下：</p><p><b>　　（5-4）</b></p><p>　　由5.3小節(jié)的指標(biāo)可較快計(jì)算出，中心頻率

87、=2.1GHz，帶通濾波器的相對(duì)帶寬BW約為10%，歸一化頻率=4.5192GHz。</p><p>　　圖5-4契比雪夫?yàn)V波器衰減特性圖[4]</p><p>　　再由圖5-4契比雪夫低通濾波器的衰減特性和計(jì)算出的歸一化頻率，可由圖5-4方便看出其低頻等效梯形網(wǎng)絡(luò)濾波器階數(shù)大約為5，所以取N=5。</p><p>　　表5-1契比雪夫?yàn)V波器元件參數(shù)表</p&

88、gt;<p>　　由表5-1契比雪夫低通濾波器的元件參數(shù)表格圖，可知在N=5情況下，由圖可方便看出=1，=1.1088，=1.3061，=1.7703，=0.8180，=1.3544。</p><p>　　并由第四章4.13小節(jié)理論知識(shí)可以得到下述公式：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p><b

89、>　　（4-14）</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　?。?-15）</b></p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　　（4-17）</b></p>

90、;<p>　　已知=50，所以可根據(jù)上述公式，計(jì)算出奇偶模阻抗如表5-2所示：</p><p>　　表5-2計(jì)算后的奇偶模阻抗值</p><p>　　一開始，打算用性能優(yōu)良的ROGERS板，但由于受國(guó)內(nèi)制作工藝的影響以及有限經(jīng)費(fèi)的影響，在此選擇了國(guó)內(nèi)常用，價(jià)格相對(duì)低廉，但性能相對(duì)一般的F4板，選定電路板材參數(shù)如下：厚度H為1.6mm（考慮到國(guó)內(nèi)工藝布線間隔只能0.2mm左右，

91、為了減少絕對(duì)誤差，所以選擇厚度愈厚，那么線寬愈寬），介電常數(shù)Er為2.55，相對(duì)磁導(dǎo)率Mur為1，電導(dǎo)率Cond為5.8E+7，金屬層厚度為0.03mm。為了減少繁瑣計(jì)算，使用ADS中自帶的計(jì)算工具LineCalc計(jì)算微帶線的寬度W、間距S 和長(zhǎng)度L 。由此得到的各耦合段物理尺寸參數(shù)如表5-3所示。</p><p>　　表5-3 LineCalc計(jì)算后的物理尺寸參數(shù)</p><p>　　

92、ADS有強(qiáng)大的計(jì)算功能，利用其自帶的計(jì)算工具LineCalc可以方便快捷算出需要的結(jié)果，避免了繁瑣計(jì)算。用ADS中自帶的計(jì)算工具LineCalc計(jì)算的示意圖如圖5-5所示[7]，輸入所用板材的參數(shù)，最重要的是相對(duì)介電常數(shù)Er和厚度H，其他參數(shù)也有影響，但非主要影響因素。</p><p>　　圖5-5 ADS中LineCalc計(jì)算物理尺寸界面</p><p>　　5.5 平行耦合帶通濾波

93、器原理圖仿真</p><p>　　將5.4中結(jié)構(gòu)尺寸輸入ADS原理圖中，由于實(shí)際加工不可能有那么精確的尺寸，所以尺寸精確到0.1mm足矣，并設(shè)置相應(yīng)的介質(zhì)參數(shù)和掃頻參數(shù)，進(jìn)行原理圖仿真，其原理圖及仿真結(jié)果如圖5-6和5-7所示，可見中心頻率出現(xiàn)了明顯的偏移現(xiàn)象。這是由于在設(shè)計(jì)平行耦合微帶帶通濾波器時(shí)沒(méi)有考慮邊緣場(chǎng)效應(yīng)的影響，為此需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化控制器參數(shù)。事實(shí)上實(shí)際值比設(shè)計(jì)值偏低的主要原因是耦合單元

94、微帶線開路端邊緣效應(yīng)的影響。對(duì)于開路端微帶線 , 通常將其邊緣效應(yīng)等效為一個(gè)電容件，而這個(gè)等效電容又可以為一段附加的一定長(zhǎng)度的傳輸線所代替。解決此問(wèn)題可以利用ADS的優(yōu)化功能，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖5-8所示，優(yōu)化原理圖如圖5-9所示[7]。</p><p>　　圖5-6 ADS中原理圖仿真界面</p><p>　　圖5-7 ADS中原理圖仿真結(jié)果界面</p><p&

95、gt;　　優(yōu)化也不是一蹴而就，需要多次比較進(jìn)行。在優(yōu)化過(guò)程中，加入變量時(shí)要考慮實(shí)際制版時(shí)尺寸的影響，所以采用離散優(yōu)化（不采用連續(xù)變化優(yōu)化的原因，且如此，仿真花費(fèi)時(shí)間更少一點(diǎn)），步進(jìn)值設(shè)為0.1mm,但這可能達(dá)不到想要的結(jié)果，可再多設(shè)置多一點(diǎn)的離散點(diǎn)數(shù)，要多次優(yōu)化，可能最終也達(dá)不到指標(biāo)，此時(shí)只有改變微帶線參數(shù)值，重新進(jìn)行仿真，直至達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化結(jié)果。</p><p>　　定好設(shè)定目標(biāo)后，靠計(jì)算機(jī)本身超快的浮點(diǎn)計(jì)算，

96、一個(gè)一個(gè)點(diǎn)計(jì)算的窮盡法，直至算出最佳結(jié)果，這是計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)的，也基本是最優(yōu)結(jié)果。</p><p>　　圖5-8 ADS中優(yōu)化后的原理圖界面</p><p>　　圖5-9 ADS中優(yōu)化后原理圖仿真結(jié)果界面</p><p>　　通過(guò)上面的設(shè)計(jì)可以看出僅僅對(duì)微帶濾波器進(jìn)行原理圖仿真，這是不夠的。依靠原理圖仿真的結(jié)果去制作相應(yīng)的濾波器，那么濾波器的實(shí)際測(cè)量結(jié)果會(huì)和原理圖仿

97、真存在著較大的差別，甚至浪費(fèi)材料。原因主要是因?yàn)锳DS軟件的原理圖仿真是不考慮的各微帶線之間的耦合影響，只考慮了被定義的耦合線之間的耦合關(guān)系，對(duì)其他沒(méi)有定義為耦合關(guān)系的微帶線互相之間則視為沒(méi)有耦合關(guān)系，而在實(shí)際中確不是這樣的，只要是在相距一定距離之內(nèi)的微帶線他們之間都有耦合關(guān)系，而這種耦合影響的不確定性也就導(dǎo)致了制作濾波器測(cè)量結(jié)果的不確定性。為了更好的在計(jì)算機(jī)中模擬微帶濾波器在實(shí)際電路版上的表現(xiàn)，在對(duì)濾波器做完原理圖仿真后，還應(yīng)對(duì)其進(jìn)一

98、步做電路版級(jí)的矩量仿真[7]。這就要應(yīng)用到ADS矩量法(Momentum)。Momentum就是E-M(電磁)求解器使用 MethodofMoment(瞬時(shí))技術(shù)和格林函數(shù)計(jì)算平而結(jié)構(gòu)中的電流，包括(通路)Vias和邊界耦合。它可以接受任意平而幾何形狀，并精確地仿真分析復(fù)雜地寄生，結(jié)構(gòu)間的耦合效應(yīng)。通過(guò)ADS矩量法(Momentum)的仿真，與濾波器的實(shí)際測(cè)量結(jié)果是相當(dāng)接近的。所以如果在Momentum仿真中出現(xiàn)</p>

99、<p>　　除了上述在軟件設(shè)計(jì)時(shí)該注意的問(wèn)題外，在具體制板中同樣要注意可能會(huì)影響濾波器性能的相關(guān)因數(shù)。因?yàn)榉植紖?shù)微帶型濾波器，在頻率很高時(shí)一根微帶表現(xiàn)出電感、電容及電阻等特性方面的綜合[6]。材料特性、工藝參數(shù)、微帶濾波器的封裝腔體等方面的偏差，都對(duì)濾波器的參數(shù)性能有很大的影響，如工作頻率的漂移、工作帶寬的變化以及傳輸與反射參數(shù)惡化等。為了減小這些相關(guān)因素對(duì)微帶濾波器性能參數(shù)的影響，有必要對(duì)這些影響濾波器性能的相關(guān)因素進(jìn)行

100、討論。微帶濾波器的基片材料既是微波傳輸?shù)慕橘|(zhì)，又是導(dǎo)體微帶線附著的載體，其材料特性對(duì)微帶線濾波器的性能有很大的影響。基片材料的介電常數(shù)、厚度以及介質(zhì)損耗角等參數(shù)稍有變化，就會(huì)影響濾波器的整體性能指標(biāo)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分地把材料的這些影響因素考慮進(jìn)去，使濾波器的設(shè)計(jì)更趨合理。另外制作微帶線的導(dǎo)體材料也非常重要，選用制作微帶線導(dǎo)體材料的原則是:導(dǎo)體的厚度滿足設(shè)計(jì)要求(一般為3-5倍深度)，導(dǎo)體材料損耗小，導(dǎo)體材料抗氧化能力強(qiáng)，易于焊接及易與

101、其它輸入輸出接頭連接等特性。濾波器的封裝腔體也是影響其性能指標(biāo)的一個(gè)關(guān)鍵因素，在微帶線的各種形式的結(jié)構(gòu)中，有的形式濾波器對(duì)邊界條件影響較小，而有</p><p>　　5.6 平行耦合帶通濾波器版圖E-M仿真</p><p>　　經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化及修改后，原理圖的仿真結(jié)果基本達(dá)到所要求的指標(biāo)。此時(shí)就可導(dǎo)出版圖。導(dǎo)出版圖后，添加PORT管腳，就可以進(jìn)行EM仿真啦。通過(guò)ADS矩量法(Momentu

102、m)的仿真，與濾波器的實(shí)際測(cè)量結(jié)果是相當(dāng)接近的。所以如果在Momentum仿真中出現(xiàn)這種問(wèn)題，那么就要返回到原理圖仿真進(jìn)行修改和優(yōu)化，直到將Momentum仿真優(yōu)化到滿意的結(jié)果為止。導(dǎo)出版圖后，添加PORT管腳，就可以放心進(jìn)行EM仿真[7]。</p><p>　　導(dǎo)出的版圖結(jié)構(gòu)如圖5-10所示，EM仿真結(jié)果如圖5-12所示。</p><p>　　圖5-10 ADS中原理圖導(dǎo)出的版圖界面&

103、lt;/p><p>　　導(dǎo)出版圖后，為了進(jìn)一步看到真實(shí)的實(shí)物效果，利用ADS強(qiáng)大的內(nèi)置工具可以非常方便的導(dǎo)出其3D效果圖，如圖5-11所示，由此3D圖就可以清晰地再現(xiàn)實(shí)物做成后的真實(shí)圖像，非常的實(shí)用，有利于設(shè)計(jì)者一目了然的了解成品成像圖，加快了實(shí)物設(shè)計(jì)速度，節(jié)約了成本。</p><p>　　圖5-11導(dǎo)出版圖的3D模型圖</p><p>　　觀察導(dǎo)出的圖5-11的3D效

104、果圖，不妨和其后真正做出的實(shí)物圖5-14做個(gè)簡(jiǎn)單對(duì)比，就不難發(fā)現(xiàn)3D圖基本是實(shí)物圖的翻版，對(duì)其實(shí)用價(jià)值就可略知一二，所以實(shí)踐時(shí)，應(yīng)好好把握這些優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　當(dāng)完成上面所有步驟后，就可以進(jìn)行EM仿真了，ADS矩量法(Momentum)的仿真，與濾波器的實(shí)際測(cè)量結(jié)果是相當(dāng)接近的，它可以接受任意平而幾何形狀，并精確地仿真分析復(fù)雜地寄生，結(jié)構(gòu)間的耦合效應(yīng)，設(shè)置好必要參數(shù)，掃描點(diǎn)數(shù)，最終得出的EM仿真結(jié)果如圖

105、5-12所示，由圖所示，指標(biāo)很好的控制在了-15dB以內(nèi)，在通帶內(nèi)衰減控制在了-1dB紋波以內(nèi)，帶外衰減在-40dB以外，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，達(dá)到優(yōu)化結(jié)果。</p><p>　　圖5-12 ADS中版圖仿真結(jié)果界面</p><p>　　由圖中數(shù)據(jù)可知，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，接下來(lái)就可進(jìn)行PCB版圖繪制。</p><p>　　因?yàn)榇蟛糠謬?guó)內(nèi)廠家采用Protel99SE繪制版圖

106、，所以在此也采用了Protel99SE進(jìn)行此次濾波器實(shí)際版圖的繪制工作。因?yàn)樵贏DS2009中，LAYOUT出的已為實(shí)際版圖，所以只需記錄好相應(yīng)尺寸，在Protel99SE中重新編排即可，用Protel99SE繪制的最終版圖如圖5-13所示：</p><p>　　圖5-13 Protel99SE繪制的實(shí)際版圖界面</p><p>　　繪制PCB文件時(shí)，上下應(yīng)空出足夠空間，防止外界的耦合干擾

107、，一般要求為線寬的兩倍左右，在此，采取了五倍線寬的空余。把此文件發(fā)給PCB廠后做出的實(shí)物濾波器后，焊接添加接頭后的實(shí)際版圖如圖5-14所示：</p><p>　　圖5-14加工做成的實(shí)物耦合帶通微帶濾波器</p><p>　　實(shí)物做成以后，整個(gè)設(shè)計(jì)工作就告一段落，為了查看設(shè)計(jì)實(shí)物是否達(dá)到要求指標(biāo)，接下來(lái)就要進(jìn)行測(cè)試、調(diào)試工作。</p><p>　　6 實(shí)物的測(cè)量與

108、調(diào)試</p><p>　　6.1 平行耦合帶通濾波器調(diào)試</p><p>　　調(diào)試按照如下圖6-1所示方框圖進(jìn)行：</p><p>　　圖6-1調(diào)試系統(tǒng)方框圖</p><p>　　如果測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)要求相差過(guò)多，則需要查找原因，對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，甚至進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、制板，直至達(dá)到預(yù)期指標(biāo)為止。</p><p>　　6

109、.2 平行耦合帶通濾波器的測(cè)試</p><p>　　因?yàn)橛∷㈦娐钒遄龀珊螅瑹o(wú)需其他的元件焊接工作，只需焊接兩個(gè)接頭，所以焊接工序非常簡(jiǎn)單，焊接好的實(shí)物圖如圖5-14所示，焊接工作完畢之后就可以進(jìn)行測(cè)試工序的運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　6.2.1 測(cè)試步驟</p><p>　　(1)打開網(wǎng)絡(luò)分析儀，然后按下‘PRESET’鍵，設(shè)置監(jiān)視的掃描頻率范圍從1.4GHz到

110、2.8GHz，設(shè)置中心頻率2.1GHz；</p><p>　　(2)對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀一步步進(jìn)行校正，直至達(dá)到所測(cè)零誤差條件；</p><p>　　(3)一切預(yù)備工作做好后，就可以進(jìn)行耦合帶通射頻濾波器的測(cè)試工作了，正在測(cè)試工作的濾波器如圖6-2所示；</p><p>　　(4)對(duì)各個(gè)指標(biāo)就行測(cè)量，參數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖6-3所示，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與EM仿真非常匹配，達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的通

111、帶內(nèi)大于-1.5dB,帶外1.6GHz以下,2.4GHz以上小于-40dB，非常好的完成了設(shè)計(jì)指標(biāo)。整體觀察，矩形系數(shù)也不錯(cuò)，基本有了濾波器的模樣，帶外抑制衰減控制的指標(biāo)也不錯(cuò)；</p><p>　　圖6-2正在測(cè)試中的耦合微帶濾波器</p><p>　　圖6-3實(shí)際測(cè)得值頻譜圖</p><p>　　圖6-4 實(shí)際測(cè)量時(shí)的近景圖</p><p&g

112、t;　　圖6-5 參數(shù)的實(shí)際測(cè)量值</p><p>　　(5)再對(duì)參數(shù)或電壓駐波比VSWR測(cè)量，其結(jié)果分別如圖6-5和6-6所示，可以發(fā)現(xiàn)參數(shù)值比EM仿真結(jié)果相差不大，小于-15dB滿足通帶內(nèi)滿足的設(shè)計(jì)指標(biāo)小于-10dB要求，電壓駐波比VSWR當(dāng)然就達(dá)到設(shè)計(jì)初衷使得VSWR小于1.5的指標(biāo)，可以說(shuō)整個(gè)結(jié)果測(cè)試非常滿意，令人鼓舞，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。</p><p>　　圖6-6電壓駐波比VS

113、WR實(shí)際測(cè)量結(jié)果</p><p>　　實(shí)際測(cè)出在通帶內(nèi)控制在-15dB以外，在中心頻率2.1GHz是為-22.25dB，這個(gè)結(jié)果令人滿意。VSWR在通帶內(nèi)總體小于1.5，在中心頻率點(diǎn)是為1.1270，這個(gè)結(jié)果也相當(dāng)鄰人振奮，這說(shuō)明反射系數(shù)小，功率利用率高，達(dá)到了所有的設(shè)計(jì)指標(biāo)。</p><p>　　6.2.2 測(cè)試結(jié)果分析</p><p>　　因?yàn)榉植紖?shù)微帶型濾