基于ADS的平行耦合线带通滤波器设计

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设计要求

  1. 中心频率$f_0=8GHz$
  2. 带宽$\Delta f=f_0 \times10\%$
  3. 插损$≤1dB$
  4. 通带回波损耗$≥15dB$
  5. 离开通带边沿左右各600MHz处实现$≥15dB$抑制

设计步骤

由于是对微带线、平行线进行仿真,在设计前我们需要设置基片的参数,这里我们采用罗杰斯 MS-RT duroid 5880基片

为使输入、输出阻抗为50Ω,我们利用ADS自带的LineCalc工具计算输入、输出的微带线宽度:

计算结果,微带线宽度为:$w=1.54mm$、$l=6.83mm$;即为滤波器两端50Ω输入输出匹配线

$$f_0=8GHz$$
$$BW=\frac{\Delta f}{f_0}=0.1$$
$$f_1=7.6GHz \quad f_2=8.4GHz$$
$$f_{s1}=7.0GHz \quad f_{s2}=9.0GHz$$
由带内插损$≤1dB$,我们选用纹波0.5dB的切比雪夫低通滤波器为原型,则滤波器阶数为
$$n\geq \dfrac{\cosh ^{-1}\sqrt{\dfrac{10^{1.5}-1}{10^{0.05}-1}}}{\cosh ^{-1}\dfrac{f_{s2}-f_{s1}}{f_{2}-f_{1}}}=3.97$$
取4阶切比雪夫滤波器为原型,则平行耦合线为5阶

对于平行耦合线,其奇、偶模阻抗为:
$$Z_{0}J_{N+1}=\sqrt{\frac{\pi BW}{2g_{n}g_{n+1}}}$$
$$Z_{En}=Z_0\left (1+J_{n}Z_{0}+J_{n}^{2}Z_{0}^{2} \right)$$
$$Z_{On}=Z_0\left (1-J_{n}Z_{0}+J_{n}^{2}Z_{0}^{2} \right)$$
由$0.5dB$波纹系数的切比雪夫低通滤波器归一化系数(如图)

计算得:

n12345
$g_n$1.67031.19262.36610.84191.9841
$Z_0J_n$0.30670.28080.23590.28080.3067
$Z_{En}$70.03867.98264.57767.98270.038
$Z_{On}$39.36839.90240.98739.90239.368

利用LineCalc计算平行双线的尺寸:

得:
$$w_1=1.223mm \quad l_1=6.981mm \quad s_1=0.121mm$$
$$w_2=1.265mm \quad l_2=6.964mm \quad s_2=0.142mm$$
$$w_3=1.527mm \quad l_3=6.902mm \quad s_3=0.192mm$$
$$w_4=w_2 \qquad l_4=l_2 \qquad s_4=s_2$$
$$w_5=w_1 \qquad l_5=l_1 \qquad s_5=s_1$$

实验数据及结果分析

理论数据仿真结果

可见实际结果和理论分析仍有较大差距,带内波动较大且不满足插损要求,两边回波损耗较大,抑制差。下面利用ADS优化功能对滤波器进行优化。
依次对$w_1$、$l_1$、$s_1$、$w_2$、$l_2$、$s_2$、$w_3$、$l_3$、$s_3$设置优化范围:

先随机优化200次,再梯度优化20次

优化目标设置:

随机优化200次的结果


经随机优化后,各个设计指标已基本满足,但带内插损仍有些许差距,仍需少量优化。
再梯度优化20次的结果(实际优化7次):


通过对特性曲线的观察,可以看到5阶平行耦合线微带带通滤波器S参数完全符合设计要求,最终优化参数为:

Error:本数据只针对原理图仿真,可能不符合实际,版图请自行仿真

实验结论

  通过对ADS软件的使用,了解并掌握了软件特点、仿真模型的搭建、电路的调试、优化以及结果的输出等操作内容。
  通过对微波常见无源电路及有源器件的仿真,对微波电路的设计过程有了感性的认识,建立了独立承担微波电路研发工作的信心。
  在本次射频与微波仿真电路课程设计中,所设计的5阶平行耦合微带带通滤波器带内插损,带外抑制完全满足设计要求,感谢朱兆君老师的指导,圆满完成设计任务,祝朱老师身体安康,工作顺利。

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