一種S波段窄帶帶通濾波器的設(shè)計和優(yōu)化

引言
　　在現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)中，帶通濾波器是使由上邊頻和下邊頻確定的頻帶內(nèi)的信號通過，而對頻帶以外的信號進(jìn)行抑制的重要功能器件。它應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)類型繁多。微帶線平行耦合帶通濾波器是較為常見的一種微波帶通濾波器。近年來，微波系統(tǒng)的設(shè)計越來越復(fù)雜，對微波濾波器的指標(biāo)要求也越來越高，傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足設(shè)計的需要，使用微波EDA軟件工具進(jìn)行微波元器件與微波系統(tǒng)的設(shè)計，已經(jīng)成為微波電路設(shè)計的必然趨勢。Serenade是一種功能強(qiáng)大的微波電路系統(tǒng)仿真軟件。應(yīng)用綜合設(shè)計法，結(jié)合Serenade軟件進(jìn)行仿真、優(yōu)化，能夠克服理論分析精度低的缺點，且使設(shè)計周期縮短、設(shè)計成本降低。

　　設(shè)計過程

　　濾波器的設(shè)計指標(biāo)為：

　　中心頻率fc:3GHz;

　　帶寬：2 0%，即0.6 G H z，2.7GHz～3.3GHz：

　　通帶內(nèi)：S2l>-2dB，S11<-20dB;

　　帶外抑制：頻帶兩端±fc×20%，(即2.4GHz和3.6GHz)處，S21≤-25dB;

　　帶內(nèi)波紋：0.2dB。

　　具體設(shè)計步驟如下：

　　1.選擇標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)在3.6GHz處，歸一化頻率

　　=1.833。指標(biāo)要求在Ω=1.833處達(dá)到-25dB的抑制，經(jīng)過查表和綜合考慮，確定濾波器節(jié)數(shù)N=5。查表可知，0.2dB波紋的標(biāo)準(zhǔn)5節(jié)切比雪夫濾波器歸一化參數(shù)為：

　　2.計算歸一化帶寬

　　3.根據(jù)歸一化帶寬和標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)計算奇模、偶模特性阻抗Zo和Zo

　　取Zo=50Ω。首先根據(jù)公式計算下列參數(shù)：

　　計算得：

　　 　這些參數(shù)代人下列公式可計算Zo和Ze：

　　計算得

　　4.確定耦合微帶線的原始尺寸
　　選擇PCB板材料，介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)為εr=4.2，厚度h=1.5mm，封裝高度HU=100mm，每一段耦合微帶線的電長度為90°。用Serenade軟件中的工具TRL，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，可以計算耦合微帶線的原始尺寸W、S、P。

　　5.應(yīng)用Serenade進(jìn)行仿真和優(yōu)化

　　在Serenade中建立濾波器的電原理圖，如圖1所示。
　需要注意的是，如果耦合微帶線的尺寸小于0.1mm，將使光刻誤差過大，而且工藝很難實現(xiàn)，在設(shè)計中，這種情況應(yīng)該避免。如果出現(xiàn)尺寸過小的情況，應(yīng)該重新優(yōu)化，或者采用阻抗變換的方法(如可重新選擇Z0=70Ω來解決問題。所以，必須對優(yōu)化后的尺寸進(jìn)行檢查。結(jié)果表明，優(yōu)化尺寸滿足工藝要求。最終的優(yōu)化尺寸如下：

　　結(jié)語

　　Serenade仿真軟件具有豐富的微波元件模型和精確的數(shù)值分析算法，對微波電路的仿真分析非常方便、快速和直觀，利用它可以迅速地把設(shè)計思想表現(xiàn)出來并給以驗證、改進(jìn)和實現(xiàn)。對以上進(jìn)行的分析和優(yōu)化工作，如由人工來完成是非常困難的，不僅費力，也難得到滿意的結(jié)果。如以設(shè)計者自行編寫程序的方式進(jìn)行分析和優(yōu)化，工作量同樣是巨大的，體現(xiàn)在對模型的建立、算法的選擇和數(shù)據(jù)的處理等方面，都是得不償失的。而Serenade仿真軟件提供了一個優(yōu)秀的仿真設(shè)計平臺，設(shè)計者可以把精力集中在專業(yè)的內(nèi)容上，而不必為具體的編程花費精力，因而大大提高了工作效率。