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国际科学与工程应用

2014年第3卷第5期 ISSN-2319-7560（在线）

微带带通滤波器的设计、

仿真和制造

摘要：本文介绍了并联耦合微带带通滤波器的设计、仿真和制造过程以及测量结果和仿真结果的比较。该滤波器的设计和优化带通区间在2.44GHz附近，分数带宽为3.42%。设计该滤波器的的第一步是对其集总元件原型的近似计算。导纳反相器用于使用微波结构将集总元件电路变换成等效形式。在获得所需的规格之后，使用并联耦合技术实现滤波器结构并使用ADS软件进行模拟，接下来进行优化以实现低插入损耗和选择裙。 模拟滤波器在FR-4基板上制造。 模拟和测量结果之间的比较显示它们近似相等。

关键词：ADS电子设计自动化，FR-4基板，带通滤波器（BPF），分数带宽（FBW）

1. 前言

微波滤波器是两端口网络，其用于通过在通带内的频率和滤波器的阻带中的衰减提供传输来控制通信系统中的特定点处的频率响应。微波滤波器由先驱者们如梅森、赛克斯、达林顿、法诺、劳森和理查兹等人在第二次世界大战前几年开始研究理论和实践。今天，大多数微波滤波器设计是基于插入损耗方法用复杂的计算机辅助设计（CAD）封装完成的。图像参数方法可以为一些应用产生可用的滤波器响应，但是没有改善设计的有条理的方式，然而，插入损耗法允许对通带和阻带幅度和相位特性的高度控制，以一种系统化的方式合成期望的响应[1]，[2]。

1.1带通滤波器

带通滤波器仅通过某个期望频带内的频率，并使其中频率低于截止频率下限或高于截止频率上限的其他信号被衰减掉。 带通滤波器允许通过的频率范围被称为通带。 典型的带通滤波器可以通过组合低通滤波器和高通滤波器或者应用常规的低通到带通变换来获得。

理想带通滤波器具有平坦的通带且没有增益或衰减，并且通带外的所有频率被完全抑制。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每倍频或每十倍频的衰减幅度dB来表示。图1所示的带通滤波器就是由并联谐振LC电路和串联谐振LC电路组合而成的。在该电路中，串联谐振LC电路用于仅允许那些频率在通带范围内的信号通过，而并联谐振LC电路则负责将那些频率在通带范围外的信号分流到地面从而衰减它们。

集总元件带有寄生效应如电感器具有寄生电阻和寄生电容。随着通带频率接近高频（约1GHz），寄生效应开始影响滤波器的频率响应，因此集总组件的建模也变得非常困难。所以，如今解决这一问题的方案就是使用如理查德变换、库洛塔相等律、阻抗逆变器等的方法来将集总元件带通滤波器电路被转换为微带传输线结构[3]。

如今，微带传输线由于其作为良好谐振器的性能而被制成滤波器，微带线在尺寸和性能方面提供比集总元件滤波器更好的折衷。 微带传输线由有一定宽度（W）和厚度（t）的导电片和宽的接地平面组成，由一定厚度（h）的介质层（ε）隔开，如以下图2所示。

1.2微带

微带线滤波器类型包括短线阻抗，阶跃阻抗和耦合线路滤波器。对于一些带通和带阻滤波器，它们所需带宽高达中心频率的20%，而微带线和带状线技术中的并行耦合传输线滤波器就普遍应用于此类滤波器。 由于其耦合相对较弱，这种类型的滤波器具有窄的分数带宽，同时它们的优点也很明显，例如低成本制造，容易集成和简单的设计过程[4]。设计耦合线参数的方程，例如线之间的空隙、线宽和长度，可以在一些经典的微波类书籍中找到。 这样，遵循一个明确的系统化的程序，可以很容易地以巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器为原型得到所需的微带滤波器参数。 使用ADS软件也可以做到这一点。

在上图中，宽度，间隙，长度和阻抗被标记为（W），（S），（l）和（Y0）。 耦合间隙对应于低通原型电路中的导纳逆变器（图4）。 使用导纳逆变器计算并联耦合半波谐振器的偶模和奇模特性阻抗。 然后使用这些偶模和奇模阻抗来计算滤波器的物理尺寸。

1.3 ADS 软件

ADS是一款仿真软件，是由安捷伦科技公司的工程实验部门生产的电子设计自动化软件系统。它为RF（Radio Frequency射频）电子产品（例如移动电话，寻呼机，无线网络，卫星通信，雷达系统和高速数据链路）的设计人员提供了集成设计环境。 它支持设计过程中的每一步如原理图捕获，布局，频域和时域电路仿真，以及电磁场仿真并且允许工程师在不更换工具的情况下完全表征和优化RF设计。

1.4 FR-4线路板

滤波器的制造在FR-4印刷电路板上进行。 FR-4是英文Flame Retardant 4的缩写，是用于制造印刷电路板（PCB）的一种材料，板的本身没有铜覆盖。使用FR-4电路板的材料通常用四官能环氧树脂体系来防止电磁振荡和紫外线，一般呈现为淡黄色。严格制造为绝缘体（无铜包层）的FR-4通常使用功能失调的环氧树脂体系并呈现为绿色。由于一些机械和电性能，FR-4优于比较便宜的替代品，例如合成树脂粘合纸（SRBP）。它在高频下的损失较少，吸收较少的水分，具有较大的强度和刚度，并且与其较便宜的对应物相比具有高度阻燃性。 Fr-4广泛应用于高端消费品的建造，工业和军用电子设备的制造。 在超高真空（UHV）中，他也具有良好的兼容性[5]。

1. 设计流程

切比雪夫滤波器设计标准为通带在2.40-2.48GHz之间，中心频率为2.44GHz [6]，通带纹波取为0.5 dB，插入损耗和回波损耗分别需要le;1 dB和gt; 15 dB。

设计滤波器的第一步是找到它的阶数。分数带宽和归一化频率由下面给出的公式可以计算得到[7]。

这里，和是边缘频率，是中心频率。 然后，通过针对0.5dB波纹的衰减对归一化频率图找出滤波器的阶，如下面给出的曲线图所示。

滤波器的阶数在最小衰减= 20dB时为n = 5，归一化频率= 0.42。因此滤波器的阶数为5。 五阶滤波器的元素值可由表1确定。

获得的元素值是：g1 = g5 = 1.7058，g2 = g4 = 1.2296，g3 = 2.5408。 获得的低通原型元素值可以表示为如图4所示。

低通滤波器由串联和并联支路组成。 J-反相器用于将低通滤波器转换为仅具有分流支路的带通滤波器，如图5所示。

J-反相器将会依据以下等式执行低通到带通转换。

--------- j = 1 到 n-1

其中FBW是带通滤波器的分数带宽，是J-反相器的特性导纳，是终端线的特性导纳。 为了实现J-反相器，通过使用以下给出的关系来确定耦合线的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗。

--------- j = 0 到 n

计算结果如下表所示。

通过使用安捷伦科技公司2013版的ADS软件中的LineCalc工具，每级之间的宽度，间距和长度的尺寸通过使用偶特性和奇特性阻抗来计算。特性阻抗通常假定为50欧姆 。 标准FR-4板要求如下：

下一步为优化。 所有参数和目标正确设置后，对过程进行优化和调整从而获得最佳结果和性能。 每一阶过滤器的宽度，间隙和长度的最终尺寸示于下表4中。

3.软件实施与结果仿真

最后一步，在ADS仿真软件环境中设计耦合线路滤波器。 它接受滤波器参数并且产生滤波器布局的物理尺寸并能模拟滤波器的响应。

3.1 仿真

计算带宽为80MHz，仿真带宽事实上小于计算带宽。指定的插入损耗应小于或等于1dB，但模拟插入损耗在1至2 dB之间。模拟通带波纹按规范应小于1dB，回波损耗按要求大于15dB。

1. 制造

滤波器电路板原料为FR-4板。 滤波器的布局在Gerber格式的ADS工具中生成。 从图8可以注意到，在滤波器周围形成许多电镀通孔，以消除寄生效应。 安装孔也通过钻孔和通孔电镀在适当的距离，以提供良好的接地。 最后，滤波器

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