基于SERENADE软件的微波带通滤波器的设计和仿真

ztc

1  引  言
　　在设计模拟电路时，对高频信号在特定频率或频段内的频率分量做加重或衰减处理是个十分重要的任务，因此，微波带通滤波器便成为现代电子系统中的一种关键部件，它的好坏直接决定系统的整体性能。微带平行耦合带通滤波器是工程上较为常见的一种微波带通滤波器，它是根据反对称原型滤波器设计的，这样构成的平行耦合滤波器是关于其中心对称的。它由N节平行耦合微带线组成，两个微带线之间通过平行耦合线进行耦合，这些耦合线的两端开路，长度在中心频率上为半个波长，这种滤波器可看作由N+1个平行耦合节组合而成，这些耦合节在中心频率上是1/4波长。它的输入、输出由微带T型接头与之相连接，输入、输出阻抗为50欧姆。具有结构简单，易于实现微波部件和系统的集成化等优点。
传统的滤波器设计计算方法比较复杂，而且工作量十分大，而由于现在软件技术的飞速发展，设计手段也变得越来越多，工作效率也越来越高。本设计就是利用ANSOFT公司的SERENADE软件来进行设计和优化。

2  设计步骤
　　本文所述的微波带通滤波器的设计方法主要包括两个部分：
1．将标准切比雪夫低通滤波器变换为符合要求的特定带通滤波器。
    ①首先建立归一化低通切比雪夫滤波器的结构；
    ②利用频率变换将其低通频率特性变换为带通滤波器频率特性。
2．根据将集总参数元件变为分布参数元件的Richards变换和Kuroda规则用分布参数元件实现这些滤波器。

3  设计实例
滤波器设计要求如下。
信号带宽：1638～1658MHz。
插入损耗：小于1.5dB。
带内波动：小于±0.2dB。
带外抑制：频带两端（±f0×15％，f0为中心频率）处带外抑制到-50dBc,频带外（±f0×30％，f0为中心频率）抑制到－60dBc。                        
滤波器设计过程为：工作频率超过500MHz的滤波器是难以用分立元件实现的，这是由于工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，从而造成了多方面的损耗并使电路性能严重恶化。所以，实际滤波器的实现必须将一些工具（Richards变换、单位元件和Kuroda规则）的集总参数元件变换为分布参数元件。
　　下面用耦合微带线来实现此滤波器：
1．选择标准低通滤波器参数。根据所要设计滤波器的性能指标，决定采用切比雪夫滤波器设计方法。查“给定波纹及插入损耗时选定切比雪夫滤波器节数的列表图”，可知滤波器可用三节来实现。 查表可知0.2dB波纹的标准三节切比雪夫滤波器参数为 g0=g4==1.0000，g1=g3=1.2275，g2=1.1525。
2．确定归一化带宽
　　BW＝  =  =0.012136
3．根据带宽指标计算下列参数
Z0J01=  =  =0.12462
Z0J12=  =  =0.016027
Z0J23= =  =0.016027
Z0J34=  =  =0.12462
这些参数可以用于计算传输线的奇模，偶模特性阻抗：
Z0|i，i+1 =Z0(1-Z0Ji,i+1+(Z0Ji,i+1)2)
Ze|i，i+1 =Z0(1+Z0Ji,i+1+(Z0Ji,i+1)2)
     可得：
Z0|0，1 =Z0(1-Z0J0，1+(Z0J0，1)2)
=50（1－0.12462＋0.124622）＝44.54551
Ze|0，1 =Z0(1+Z0J0，1+(Z0J0，1)2)
=50（1＋0.12462＋0.124622）＝57.00751
Z0|1，2=Z0(1-Z0J1，2+(Z0J1，2)2)
=50（1-0.016027+0.0160272）=49.2115
Ze|1，2 =Z0(1+Z0J1，2+(Z0J1，2)2)
=50（1+0.016027+0.0160272）=50.8142
Z0|2，3 =Z0(1-Z0J2，3+(Z0J2，3)2)
=50（1-0.016027+0.0160272）=49.2115
Ze|2，3 =Z0(1+Z0J2，3+(Z0J2，3)2)
=50（1+0.016027+0.0160272）=50.8142
Z0|3，4 =Z0(1-Z0J3，4+(Z0J3，4)2)
=50（1－0.12462＋0.124622）=44.54551   
Ze|3，4 =Z0(1+Z0J3，4+(Z0J3，4)2)
=50（1＋0.12462＋0.124622）=57.00751

     由这些参数利用Serenade的Tools工具中的Transmission Lines 可求出耦合微带线的W，S，P。考虑到优化时，中心频率会向低频方向偏移，所以，此处把中心频率设为1.668GHz，比实际的中心频率1.648GHz稍大。
分别求出各段的W，S，P：
W1=2.666649mm   W2=2.76869mm   W3=2.76869mm   W4=2.66649mm
S1=0.94787mm    S2 =5.23893mm   S3=5.23893mm   S4 =0.94787mm
P1=30.7162mm    P2=30.5697mm    P3=30.5697mm   P4=30.7162mm
滤波器电路如图1所示：













图1滤波器电路图
微波滤波器仿真结果如图2所示：
　　



　　
　　






图2微波滤波器仿真结果

由图2可知，只带外抑制一项指标满足要求，下面对其它指标进行优化。优化电路如图3所示：















　　


图3微波滤波器优化电路图
                                
优化后的电路仿真结果如图4所示：











　　
图4 优化后的仿真结果
放大后的MS21和MS11如图5所示：












图5放大后的MS21和MS11
　　由图5可知，在1.64GHz到1.66GHz之间，MS11小于-15dB 满足要求。但MS21 为-3dB，小于要求的-0.2dB。
　　
4  结束语
微波滤波器在微波中继通讯、卫星通讯、雷达技术、电子对抗及微波测量仪器中都有广泛的应用。设计微波滤波器的传统方法大多是靠查图表和曲线来完成，不但工作量大，而且设计精度不高。用 Ansoft 公司的Serenade 8.7  进行优化设计，既减轻了设计者的劳动强度，缩短了设计周期，又提高了设计精度。本文结合实际的工程要求，利用计算机优化设计，制作了中心频率为1.648GHz的平行耦合带通滤波器，通过调试，达到了设计要求。

参考文献
1  Reinhold Ludwing，Pavel Bretchko 著，王子宇等译．射频电路设计理论与应用．电子工业出版社，2002：5
2  顾墨琳著．微波固态电路设计．机械电子工业部第十四研究所，1989：1

xgyxt

内容不错，可惜图片不能显示。

bierwangfei

好贴好贴好贴好贴好贴好贴

bierwangfei

好贴好贴好贴好贴好贴