HFSS高性能平行耦合微带带通滤波器设计与仿真攻略.docx

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1、HFSS高性能平行耦合微带带通滤波器设计与仿真攻略实现射频带通滤波器有多种方法，如微带、腔体等。腔体滤波器 具有Q值高、低插损和高选择性等特点，但存在成本较高、不易调 试的缺点，并不太适合项目要求。而微带滤波器具有结构紧凑、易于 实现、独特的选频特性等优点，因而在微波集成电路中获得广泛应用。常用的微带带通滤波器有平行耦合微带线滤波器、发夹型滤波器、 1/4波长短路短截线滤波器、交指滤波器等形式以及微带线的EBG （电 磁带隙）、DGS（缺陷地结构）等新结构形式。而平行耦合微带带通滤 波器具有体积小、重量轻、易于实现等优点。Ol平行耦合带通滤波器的基本原理平行耦合带通滤波器是一种分布参数滤波器滤

2、波器，它是由微带 线或耦合微带线组成，其具有重量轻、结构紧凑、价格低、可靠性高、 性能稳定等优点，因此在微波集成电路集成电路的供应商中，它是一 种被广为应用的带通滤波器。滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络，对通带内的频 率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，从而实 现信号频谱过滤功能。微波带通滤波器在无线通信系统通信系统中起 着至关重要的作用，尤其是在接收机前端。滤波器性能的优劣直接影 响到整个接收机性能的好坏，它不仅起到频带和信道选择的作用，而 且还能滤除谐波，抑制杂散。02平行耦合带通滤波器结构与模型的创建平行耦合带通滤波器原理平行耦合单元由两根相互平行且有一定间距

3、的微带线组成，其结 构图包括介质层、接地层和微带线如图3.3所示。图中每根微带线 的宽度和厚度分别为为W和t；两根微带线的间距为S；介质层厚 度和介电常数分别为h和Er0两根微带线通过接底层产生了耦合效应，随之产生了奇模和偶模特征阻抗。平行耦合带通滤波器通过级联 平行耦合线元件得到。图2.1平行耦合微带线结构图平行耦合带通滤波器的相对带宽BW与中心频率、上边频和 下边频有关，而奇模和偶模特征阻抗由低通滤波器参数g、滤波器 输入输出端口特征阻抗ZO和耦合单元组成。可由以下公式得到：Zorl J.I= Zo I + Z(Jj+ (z%.)ZoJJN= Z(J 1 No/.J.+ (z%.j)式中z

4、。和ZOe分别为奇模和偶模的特性阻抗，i,i + 1表示耦合段单元。平行耦合带通滤波器参数计算与设计本节中所设计的平行耦合带通滤波器指标如下表所示:表2.1-波器指标通带频率带内衰减带内纹波 下阻带衰减上阻带衰减口反射系数系数25-26GHz20dB10dB-40dB(f24GHz)2.7GHz)-15dB根据表中滤波器指标,选择SldB纹波的切比雪夫滤波器来设计, 阶数为5阶。对应低通滤波器原型参数可以通过查表获取：9q= 9 = 1，9= 9s = L1468,。2 =。4 = 1.3712必=1.9750那么依据公式可求得奇偶模特征阻抗，如表2.2所示。表2.2奇偶模阻抗单元编号0123

5、45Zoe75.1254.3152.2552.2554.3175.12Zoo36.4145.5347.2547.2545.5336.41同时可以使用ADS中的Linecalca工具可以通过奇偶模阻抗计算出耦合微带线的各节尺寸参数，每节耦合微带线尺寸如表2.3所示。表2.3各节微带线尺寸单位(mm)WSL13.5440.18921.21624.7782.32420.64734.8363.98120.61144.8363.98120.61154.7782.32420.64763.5440.18921.216f(pc* uf ujtrurr*iSyMUtiteCwtvXCJ77t4 Blt力”Vl

6、. MMtat in CO 13 AfeM 001。 AO.M - 0014 . 31图2.2耦合微带线计算工具这里选用Rogers 5880T高频板材来对滤波器进行设计，介电常数 损耗正切TanD=O.0009,导体层厚度T=0.035mn原理图和S参数如 图2.3和图2.4所示。图2.3 ADS电路原理图ml frq2.500GHz dB(S(2.1)=-0.732m2freq2.600GHzHB(SQtlj*0.559图2.4 ADS电路原理图仿真S参数曲线响应由图2.4可知，该带通滤波器中心频率为2.55GHz,插入损耗 S21满足指标，但回波损耗Sll在2.5GHz低于15dB及阻带

7、衰减都没 有满足要求，显然无法满足滤波器指标，因此我们需要对平行耦合带 通滤波器进行优化设计。平行耦合带通滤波器优化仿真设计在平行耦合带通滤波器的仿真优化中，S参数是衡量滤波器性能 好坏的的重要指标，S参数中包括Sll和S21。SIl为反射系数，也就 是回波损耗，S21为传输系数，也就是插入损耗。本节中设定优化参 数S21大于1.5dB, Sll小于-15dB。接下来将在ADS仿真软件的原 理图中对平行耦合带通滤波器进行优化。本节设计的平行耦合带通 滤波器有5对耦合节（6个阶梯），主要的优化参数为微带线的长L、 宽W和间距S。经多次参数优化后，最终得到平行耦合微带带通滤波 器的具体尺寸，如表2

8、.4所示,优化后的原理图如图2.5所示。WSL14.4480.33220.76124.7603.47920.62934.6734.57420.67544.6734.57420.67554.7603.47920.62964.4480.33220.761图2.5 ADS优化后的电路图与尺寸从表2.4中可以看出，优化后的每组微带线间距S与长度L与前 面通过公式计算出的理论值不同，这是由于平行耦合微带线存在线间 边缘效应，从而影响了各个参数的计算。经过ADS电路优化后的滤波 器S参数如图2.6所示。(二LP 4 L7bD图2.6 ADS优化后的电路原理仿真特性由图2.6可以看出，优化后的滤波器中心频率

9、在2.55GHz,通带 带宽约IoOMHz, S21在通带起伏不大，带内衰减大于20dB,从S21 可以看到阻带衰减都小于40dB,满足设计要求。03HFSS中3D建模仿真在第二部分内容中进行的原理图仿真，是在完全理想状态下进行 的，而实际电路板的制作由于需要考虑一些干扰、耦合等因素的影响, 往往和理论有很大的差距。因此需要在ADS完成原理图仿真后，对其 进行版图的三维电磁场仿真。本文对版图的仿真在HFSS工作环境中 进行。采用FEM有限元法对电磁场进行计算，其结果比原理图中仿 真更加准确。由平行耦合微带带通滤波器的电路图创建的HFSS电路 版图如图3.1所示。图3.1 HFSS创建的平行耦合

10、带通滤波器版图对微带带通滤波器电路版图进行仿真，得到的S参数随频率的变 化曲线如图3.2所示。S PwntPtol 1图3.2 HFSS平行耦合微带带通滤波器S参数仿真结果对比图2.6和图3.2平行耦合微带滤波器的原理图和电路版图 的仿真结果可以看到,所设计的平行耦合微带带通滤波器在通带的纹 波、阻带的衰减及反射系数等各设计指标都满足设计要求。根据ADS和HFSS软件仿真得到的平行耦合微带滤波器微带的线 宽、线长及微带的间距结构参数,便可以加工实物。通过利用ADS软 件设计微带带通滤波器的过程可以看到,与传统理论设计方法相比,利 用微波软件（例如ADS软件）设计方法简化了设计过程,提高了设计的 精度和效率,降低了成本,此方法对高性能滤波器设计具有重要实用价 值。