基于CAD軟件和EDA工具設(shè)計(jì)一種2.6GHz帶寬的微帶發(fā)夾濾波器

對(duì)于當(dāng)今的無(wú)線通訊行業(yè)而言，CAD/EDA工具是無(wú)線產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期必不可少的部分。這些工具實(shí)際上體現(xiàn)了設(shè)計(jì)工程師對(duì)設(shè)計(jì)及上市周期的關(guān)注。CAD/EDA工具只有做到準(zhǔn)確模擬和易于使用，才能使得設(shè)計(jì)工程師們達(dá)到最好的效率。

本文討論了一種2.6GHz微帶發(fā)夾式帶通濾波器的設(shè)計(jì)，這個(gè)設(shè)計(jì)是利用Ansoft公司Serenade設(shè)計(jì)環(huán)境中的Harmonica電路級(jí)模擬器完成的。設(shè)計(jì)結(jié)果通過(guò)Serenade的布線工具S2A，被導(dǎo)出到Ansoft的Ensemble（2.5維平面電磁模擬器）以及LPKF樣品板制作應(yīng)用程序。這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例的主要目的是把Serenade的模擬結(jié)果與Ensemble的模擬結(jié)果以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

表1總結(jié)了這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例中用到的所有CAD/EDA工具。注意所有的工具都在PC上使用。

表1. 濾波器設(shè)計(jì)中使用的CAD/EDA工具。

濾波器設(shè)計(jì)
我們使用了一種四片式微帶發(fā)夾式濾波器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)響應(yīng)中心值為2.6GHz，帶寬為3dB（約為280MHz）的帶通式濾波器。最初的設(shè)計(jì)通過(guò)Serenade桌面的原理抓取器輸入（見(jiàn)圖1），該設(shè)計(jì)使用了Harmonica的微帶分布元件庫(kù)。

Harmonica分布庫(kù)模型包含了一種多耦合線元件（MCPL）模型，這個(gè)模型可以用來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)夾濾波器的耦合部分。MCPL使用了一個(gè)全波頻域算法，能夠在任意給定的頻率范圍，準(zhǔn)確計(jì)算任意線寬，間隔和組合的多達(dá)20條的耦合線的電氣特性。在圖1所示原理圖中，MCPL元件是圖中居中的八條耦合線。

圖1 Serenade中的微帶發(fā)夾式濾波器的原理圖。

發(fā)夾式濾波器的轉(zhuǎn)折部分表示成子電路（“U”型符號(hào)），它包括直的傳輸線部分以及轉(zhuǎn)彎的連接部分。由于沒(méi)有為濾波器指定屏蔽區(qū)域，所有的輻射效應(yīng)都應(yīng)被納入考慮的范圍。Harmonica和Ensemble兩個(gè)模擬器都是這樣做的?；倪x擇了Rogers TMM-4。它的相關(guān)規(guī)格祥見(jiàn)表2。

表2 Rogers TMM-4基材規(guī)格

濾波器的尺寸經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)需要的帶通波段。由于MCPL元件能夠模擬任意的線寬和線距組合，通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，我們保留了濾波器的對(duì)稱(chēng)性設(shè)計(jì)。

濾波器制作
濾波器在Harmonica中經(jīng)過(guò)了再三優(yōu)化之后，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就可以被輸出成設(shè)計(jì)圖樣。Serenade的桌面菜單中包含了一項(xiàng)S2A布線工具，打開(kāi)它之后，它會(huì)自動(dòng)根據(jù)之前的原理圖生成設(shè)計(jì)圖。

圖2 由Serenade圖案設(shè)計(jì)軟件生成的設(shè)計(jì)圖.

隨后，利用S2A，我們可以生成一個(gè)DXF文件。這個(gè)文件被導(dǎo)入到LPKF CircuitCAM中，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理之后，生成雕刻機(jī)應(yīng)用軟件LPKF BoardMaster能夠識(shí)別的加工文件。CircuitCAM是用來(lái)在導(dǎo)線間生成絕緣溝道，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行檢查和編輯的工具。圖3展示了CircuitCAM的處理結(jié)果。最終的設(shè)計(jì)圖樣被輸入到LPKF ProtoMat 95s系統(tǒng)中（圖4），準(zhǔn)備加工。

圖3 LPKF的CircuitCAM程序生成的切割軌跡

除了能輸出DXF文件，S2A還能輸出一個(gè)Ansoft 中性文件集（ANFS），用來(lái)在Ensemble中產(chǎn)生一個(gè)濾波器設(shè)計(jì)工程。圖5顯示了一個(gè)假色的抓圖，該圖表示在2.6GHz時(shí)，該濾波器的射頻電流強(qiáng)度在Ensemble中的模擬結(jié)果。

圖4 LPKF ProtoMat® 95直接從CAD數(shù)據(jù)雕刻電路板。

濾波器測(cè)量
濾波器制作完成后，SMA連接器被焊接到它上面。圖六表示在最終測(cè)量中使用的濾波器樣品。我們利用HP 8510B網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量了濾波器的插損和回?fù)p。Serenade能夠通過(guò)GPIB/HPIB接口，從各種各樣的網(wǎng)絡(luò)分析儀直接下載和保存S參數(shù)。

圖5 Ensemble中的濾波器模型。

數(shù)據(jù)比較
圖6 表示插損和回?fù)p的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與Harmmonica和Ensemble模擬結(jié)果的比較。對(duì)于一個(gè)一次通過(guò)的樣品來(lái)說(shuō)，這樣的結(jié)果可以說(shuō)符合得非常好了。表3總結(jié)了三個(gè)數(shù)據(jù)集相應(yīng)的3dB點(diǎn)，帶寬以及中心頻率的值。

圖6 濾波器樣品照片。

表3 總結(jié)了三個(gè)數(shù)據(jù)集中的濾波器的頻率特性。我們注意到，中心頻率值都在2.600GHz的±1%以?xún)?nèi)。

總結(jié)
本文討論了一個(gè)2.6GHz微帶發(fā)夾式濾波器的設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證。使用兩種同樣來(lái)自Ansoft公司的模擬器對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬計(jì)算。一種是Serenade設(shè)計(jì)環(huán)境中的Harmonica模擬器；另一種是Ensemble 2.5D 電磁模擬器。我們把來(lái)自這兩種模擬器的模擬值與樣品的實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較。設(shè)計(jì)圖由S2A布線工具生成，并被導(dǎo)出成DXF文件；LPKF公司的CircuitCAM對(duì)DXF文件進(jìn)行編輯和處理后，將最終加工文件導(dǎo)出到LPKF BoardMaster；Protomat 95s系統(tǒng)根據(jù)該文件自動(dòng)完成樣品的加工。插損和回?fù)p的兩個(gè)模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果都進(jìn)行了比較，彼此有很好的符合度。