一种S波段窄带带通滤波器的设计和优化

引言

在现代微波通信系统中，带通滤波器是使由上边频和下边频确定的频带内的信号通过，而对频带以外的信号进行抑制的重要功能器件。它应用广泛，结构类型繁多。微带线平行耦合带通滤波器是较为常见的一种微波带通滤波器。近年来，微波系统的设计越来越复杂，对微波滤波器的指标要求也越来越高，传统的设计方法已经不能满足设计的需要，使用微波EDA软件工具进行微波元器件与微波系统的设计，已经成为微波电路设计的必然趋势。Serenade是一种功能强大的微波电路系统仿真软件。应用综合设计法，结合Serenade软件进行仿真、优化，能够克服理论分析精度低的缺点，且使设计周期缩短、设计成本降低。

设计过程

滤波器的设计指标为：

中心频率fc:3GHz;

带宽：2 0%，即0.6 G H z，2.7GHz～3.3GHz：

通带内：S2l>-2dB，S11<-20dB;

带外抑制：频带两端±fc×20%，(即2.4GHz和3.6GHz)处，S21≤-25dB;

带内波纹：0.2dB。

具体设计步骤如下：

1.选择标准低通滤波器参数在3.6GHz处，归一化频率

=1.833。指标要求在Ω=1.833处达到-25dB的抑制，经过查表和综合考虑，确定滤波器节数N=5。查表可知，0.2dB波纹的标准5节切比雪夫滤波器归一化参数为：

2.计算归一化带宽

3.根据归一化带宽和标准低通滤波器参数计算奇模、偶模特性阻抗Zo和Zo

取Zo=50Ω。首先根据公式计算下列参数：

计算得：

这些参数代人下列公式可计算Zo和Ze：

计算得

4.确定耦合微带线的原始尺寸

选择PCB板材料，介质基片的相对介电常数为εr=4.2，厚度h=1.5mm，封装高度HU=100mm，每一段耦合微带线的电长度为90°。用Serenade软件中的工具TRL，设置相应的参数，可以计算耦合微带线的原始尺寸W、S、P。

5.应用Serenade进行仿真和优化

在Serenade中建立滤波器的电原理图，如图1所示。

用Serenade分析后，得到S参数的频率响应曲线，如图2所示。

从图2可见，通带衰减S21满足指标，但是S11尚未小于-20dB;带外抑制S21满足指标要求;中心频率fc≈2.87GHz，比设计指标要求的3GHz稍低，通带也未达到要求，故需要对此滤波器尺寸进行优化。由于Serenade功能强大，只需将W、S、P设置为变量即可。优化电路如图3所示。

优化后的S参数频率响应曲线见图4。从图4中可得到不同频率处的S11和S21,见表1。

需要注意的是，如果耦合微带线的尺寸小于0.1mm，将使光刻误差过大，而且工艺很难实现，在设计中，这种情况应该避免。如果出现尺寸过小的情况，应该重新优化，或者采用阻抗变换的方法(如可重新选择Z0=70Ω来解决问题。所以，必须对优化后的尺寸进行检查。结果表明，优化尺寸满足工艺要求。最终的优化尺寸如下：

结语

Serenade仿真软件具有丰富的微波元件模型和精确的数值分析算法，对微波电路的仿真分析非常方便、快速和直观，利用它可以迅速地把设计思想表现出来并给以验证、改进和实现。对以上进行的分析和优化工作，如由人工来完成是非常困难的，不仅费力，也难得到满意的结果。如以设计者自行编写程序的方式进行分析和优化，工作量同样是巨大的，体现在对模型的建立、算法的选择和数据的处理等方面，都是得不偿失的。而Serenade仿真软件提供了一个优秀的仿真设计平台，设计者可以把精力集中在专业的内容上，而不必为具体的编程花费精力，因而大大提高了工作效率。