基于平衡技術(shù)的微帶低通濾波器版圖優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，使反射損耗和插入損耗較大，影響濾波器性能。利用平衡法提升濾波器并聯(lián)分支中較低的特性阻抗，達(dá)到降低微帶線(xiàn)寬度的目的，從而均衡整個(gè)濾波器的寬度，使版圖仿真優(yōu)化。以一個(gè)5階切比雪夫微帶低通濾波器設(shè)計(jì)為例，仿真結(jié)果表明，濾波器通帶內(nèi)反射損耗從-9．566 dB降低到-15．837 dB，插入損耗從0．679 dB降低到0．322 dB，與直接采用Richards變換和Kuroda規(guī)則設(shè)計(jì)微帶低通濾波器相比，該方法能縮短濾波器設(shè)計(jì)周期，獲得滿(mǎn)意的濾波器性能。
關(guān)鍵詞：低通濾波器；微帶線(xiàn)；平衡技術(shù)；版圖優(yōu)化

微帶濾波器是無(wú)線(xiàn)通信的重要部件。隨著無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的發(fā)展，加速了微帶濾波器的研究進(jìn)程，發(fā)明許多Q值適中、重量輕、穩(wěn)定性好的微帶濾波器。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的出現(xiàn)，使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中避免繁雜的計(jì)算過(guò)程，提高復(fù)雜電路設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。設(shè)計(jì)者通常運(yùn)用Richards變換與Kuroda規(guī)則設(shè)計(jì)微帶低通濾波器。該方法設(shè)計(jì)的濾波器在接頭處會(huì)由于相鄰耦合線(xiàn)線(xiàn)寬不同產(chǎn)生不連續(xù)性，使插入損耗較大，不滿(mǎn)足一些射頻通信的要求。為了解決此問(wèn)題，采用電磁帶隙結(jié)構(gòu)與高低阻抗線(xiàn)結(jié)合的方法，改善了通帶性能，但阻帶性能變差，體積變大。運(yùn)用分形技術(shù)設(shè)計(jì)高低阻抗濾波器取得了一定的效果，但設(shè)計(jì)方法復(fù)雜，對(duì)于加工精度要求較高。
本文提出一種采用平衡技術(shù)優(yōu)化微帶低通濾波器版圖的方法，并以5節(jié)切比雪夫微帶低通濾波器為例，通過(guò)在低特性阻抗并聯(lián)傳輸線(xiàn)節(jié)點(diǎn)處再并聯(lián)相同長(zhǎng)度的微帶線(xiàn)，修改兩條微帶線(xiàn)特性阻抗為原來(lái)的兩倍達(dá)到優(yōu)化版圖的目的。原理圖仿真和版圖仿真均驗(yàn)證了該方法的可行性。該方法簡(jiǎn)單易行，只需使用ADS軟件就能方便修改，并且可以用于帶阻濾波器等其他微帶結(jié)構(gòu)的濾波器，具有良好的應(yīng)用前景。

1 平衡技術(shù)設(shè)計(jì)原理
使用Richards變換和Kuroda規(guī)則設(shè)計(jì)微帶濾波器，所得串并聯(lián)傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度理論上是相同的。選取各支節(jié)傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度l為截止頻率下波長(zhǎng)的1／8，由終端開(kāi)路傳輸線(xiàn)阻抗分布表達(dá)式：
Zin(l)=-jZ0tanβ1 (1)
式中：傳播常數(shù)β=2π／λ；Z0為特性阻抗。將1=λ／8帶入式(1)可得：
Zin(l)=-jZ0 (2)
若傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度l保持不變，使兩條特性阻抗Z0相同長(zhǎng)度l相等的終端開(kāi)路傳輸線(xiàn)并聯(lián)于同一點(diǎn)，則其輸入阻抗會(huì)減半為Z0／2；反之，將兩段并聯(lián)終端開(kāi)路傳輸線(xiàn)特性阻抗提高1倍并聯(lián)于同一點(diǎn)且保持傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度l不變，則輸入阻抗保持不變?yōu)閆0。
由以上推導(dǎo)可知，用平衡技術(shù)修改濾波器并聯(lián)終端開(kāi)路傳輸線(xiàn)不影響各節(jié)的輸入阻抗。

2 用Richards變換、Kuroda規(guī)則設(shè)計(jì)微帶低通濾波器
由于當(dāng)頻率較高時(shí)電感和電容應(yīng)選的元件值過(guò)小，由于寄生參數(shù)的影響，如此小的電感和電容已經(jīng)不能再使用集中參數(shù)元件并且工作波長(zhǎng)與濾波器元件的物理尺寸相近，濾波器元件之間的距離不可忽視，需要考慮分布參數(shù)效應(yīng)?；谝陨显?，設(shè)計(jì)者先設(shè)計(jì)出有電感、電容組成的集中參數(shù)濾波器，然后運(yùn)用Richards變換和Kuroda規(guī)則轉(zhuǎn)換為合適的微帶濾波器結(jié)構(gòu)。
本文設(shè)計(jì)的微帶低通濾波器指標(biāo)如下：
截止頻率為f0=3 GHz，通帶內(nèi)波紋為0．5 dB，在2倍截止頻率處具有不小于40 dB的帶外衰減，輸入／輸出阻抗為50 Ω。基板厚度H=0．762 mm，基板相對(duì)介電常數(shù)Er=3．66，磁導(dǎo)率μ=1 H／M，金屬電導(dǎo)率為5．88 mS／m，封裝高度Hu=1．0+33 mm，金屬層厚度T=0．035 mm。
通過(guò)計(jì)算選用5階切比雪夫微帶低通濾波器模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。電路原理及其仿真結(jié)果如圖1所示。

由圖可以看出串聯(lián)和并聯(lián)的微帶線(xiàn)長(zhǎng)度均為λ／8，而寬度與特性阻抗大小相關(guān)。
由于原理圖仿真是在理想條件下進(jìn)行的，而實(shí)際的電路板需要考慮耦合和干擾等因素的影響。ADS版圖仿真是采用矩量法進(jìn)行電磁仿真，對(duì)版圖的仿真結(jié)果更符合電路實(shí)際情況。圖1所示的濾波器原理圖對(duì)應(yīng)的版圖結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。