基于 Designer 的多带外零点微带带通滤波器仿真设计 蔡得水雷振亚谢拥军宁高利王荣兵 [ 西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室, 西安 710071] [ 摘要 ] 本文利用 ANSOFT Designer 软件设计了两种结构简单紧凑的微带平行耦合线带通滤波器 详细分析了不同结构微带线产生传输零点的原理 采用多种结构实现了滤波器的多带外传输零点, 进而改善了滤波器的带外特性, 提高了滤波器的选择性 最终进行加工和实测, 测量结果证实了计算和仿真结果的正确性 [ 关键词 ] 微带, 带通滤波器, 微带耦合线,ANSOFT Designer Simulation and Design of Microstrip Bandpass Filter with Multiple Transmission eros Based on ANSOFT Designer Cai De-shui, Lei hen-ya, Xie Yong-jun, Ning Gao-li, Wang Rong-bing Science and Technology on Antenna and Microwave Laboratory, Xidian University, Xi an,710071 [ Abstract ] In this paper, by using the simulation software Ansoft Designer, two compact microstrip parallel-coupled bandpass filter is proposed. The different types of microstrip lines with transmission zeros are thoroughly analyzed. Multiple transmission zeros result in different structure of microstrip lines and improve the selectivity in the stopband, which can realize excellent out-of-band characteristics. Good performances of the analytical model and numerical simulations are confirmed by measurement results. [ Keyword ] Microstrip, bandpass filter (BPF),microstrip coupled lines,ansoft Designer 1 前言 微波滤波器被广泛应用于雷达导航 微波通信 卫星接收 电子对抗 测试仪表等系统中 随着现代电子技术的发展, 可利用的频谱资源日益紧张, 因此对滤波器的要求也越来越高 下一代移动和卫星通讯系统对微波滤波器的小型化, 高选择性提出了新的要求 在滤波器的阻带产生传输零点可有效地提高带通滤波器的带外特性 对于微带带通滤波器, 可以采用多种技术手段来得到带外传输零点, 如采用 CSRR 环结构, 交叉耦合的结构等 本文提出多种方式, 在设计窄带微带带通滤波器时, 在一定的频率处产生传输零点, 分析了几种不同类型微带线结构与最终产生的对应结果 应用 ANSOFT Designer 软件仿真
设计了两种结构简单紧凑的微带平行耦合线带通滤波器 最后对计算 仿真和实测的结果进行了对比和分析 2 微带线与传输零点情况分析 2.1 平行耦合微带线 图 1 平行耦合微带线及等效电路 图 1 给出了平行耦合微带线及等效电路 平行耦合线是对称端两平行微带线开路的结构 这种结构被广泛应用在传输线滤波器的设计上, 来实现相邻谐振器之间适当的耦合 这种结构的双端口网络可以通过奇偶模理论进行分析 其中奇偶模的输入阻抗分别为 : ine ino = 0e = 0o + j + j L 0e e 0e L e + j + j L 0o o 0o L o 其中 L 电路负载阻抗, θ o 和 θ e 分别为奇偶模激励的电长度, 0o 和 0e 分别为耦合线的奇偶模特性阻抗 电路的 S 可以进一步推导得出 : (1) (2) S 0( ine ino) = ( + )( + ) ine 0 ino 0 (3) 其中 0 为微带线的特性阻抗, ine 和 ino 分别为奇模和偶模输入阻抗 当一端开路时, 产生传输零点的方程可简化为 cotθ = cotθ (4) 0o e 0e e 其中 θ e 和 θ o 分别为奇偶模激励的电长度, 0e 和 0o 对于耦合微带线滤波器设计, 传输零点将产生于频率 ( θo + θe)/2 < π /2, 因为 0e 为耦合线的奇偶模特性阻抗 大于 0o, θ e 大于 θ o 可以发现, 传输零点的位置可以通过改变耦合微带线的奇偶模速率比和阻抗比来改变和调节
2.2 微带线开路枝节 图 2 微带线开路枝节及等效电路 图 2 给出了微带线开路枝节及等效电路 传输零点的位置和枝节长度的关系为 其中 l 是开路枝节的长度, f 为零点频率, ε eff 中的光速 调节枝节长度, 相应的零点发生变化 2.3 短路结构耦合微带线 f = nc/4l ε eff (5) 为有效介电常数,n 为模式,c 为真空 图 3 短路耦合微带线及等效电路 如图 3 所示, 为带有接地短路形式的耦合微带线及其相应的等效电路 电路的 S 可以通过矩阵的推导得到, 1 2 S 2 jsin θ 1 2 tan sin 2cos 1 θ θ θ = + + + 1 (6) 当满足 的条件时 S, 即存在传输零点, 同样零点位置与耦合线长度的关系可由式 (5) 得出 3 滤波器设计 3.1 耦合线对称馈电滤波器设计 应用基于矩量法的 ANSOFT Designer 电磁仿真软件进行微带结构的分析和仿真, 微带基板选择厚度为 h= 0.635 mm, 相对介电常数为 ε r = 9.6 近似于梳状线滤波器的设计方法, 估计出原始尺寸后, 首先在电路设计 (Circurt) 建立电路模型, 如图 4 所示 并初步仿真优化, 然后导入到平面电磁场 (Planar EM) 中建立最终的模型, 如图 5 所示 然后进行进一步的仿真和优化设计
图 4 应用 Designer 设计的初步电路模型 图 5 在 Designer Planar EM 中的微带电路模型 图 6 滤波器仿真和实测结果对比图 如图 5 中模型所示, 中间为平行耦合微带线, 两侧为开路枝节 不失一般性, 设置微带线宽度对应阻抗为 50 欧姆, 应用经典滤波器设计原则和之前论述的相关产生传输零点理
论, 适当调节微带线各部分长度和馈电位置, 最终设计出中心频率 2.4GHz 的带通滤波器 然后进行了加工测试, 图 6 给出了滤波器仿真和实测结果对比图 从低频到高频的三个零点分别由平行耦合线和开路枝节引起 仿真和实测的结果吻合较好,ANSOFT Designer Planar EM 仿真效率高, 精度满足要求, 为提高设计效率提供了很大帮助 3.2 含源和负载耦合的两腔交叉耦合滤波器 为验证 2.3 中的理论, 设计了一个含源和负载耦合的两腔交叉耦合滤波器, 采用六边形结构以减小尺寸, 所采用的耦合矩阵为 0 1.3557 0 0.04 1.3557 0 2.1027 0 M = 0 2.1027 0 1.3557 0.04 0 1.3557 0 (7) 在输入输出馈线间加入微带线形成耦合微带线, 并在中心处打孔接地短路, 如图 6 所示 采用的介质基板相对介电常数为 ε r = 9.8, 微带基板厚度为 h= 0.5 mm 设计方法与 3.1 中例子完全一致, 首先依据经典滤波器设计理论, 估算相关尺寸 在电路设计 (Circurt) 建立电路模型并初步仿真优化, 然后导入到平面电磁场 (Planar EM) 中建立最终的模型, 如图 7 所示 然后进行进一步的仿真和优化设计 图 7 含源和负载耦合的两腔耦合微带线滤波器
图 8 耦合微带线结构对滤波器 S 的影响图 8 给出了沿输入输出馈线加入微带线, 形成耦合微带线前后滤波器的 S 对比图, 可以发现, 此种结构的引入, 在带外通带左右又各多产生一个零点, 滤波器的选择特性和对特定频率的抑制作用有所提升, 并且滤波器的尺寸几乎没有增加 可以通过 (5) 式计算得到不同长度微带线对应的零点位置为 2.76 GHz 和 3.94 GHz 理论计算和 ANSOFT Designer 仿真结果很接近, 误差可以接受 4 结论 本文设计了两种结构新颖紧凑的微带窄带带通滤波器, 通过巧妙设计实现了微带滤波器的带外多个传输零点 通过调节开路枝节和不同结构的耦合微带线, 可以将传输零点调节到需要的合适位置, 抑制相应的频率干扰, 进而实现良好的带外特性 本文提出新的方法和结构, 尽可能多的产生带外零点来满足窄带带通滤波器苛刻的带外特性要求 其中计算 仿真的结果吻合很好 同时, 验证了 ANSOFT Designer 软件仿真的高效性和准确性 [ 参考文献 ] [1] 甘本祓, 吴万春 现代微波滤波器的结构与设计, 科学出版社,1973 [2] J.-S. Hong and M.J. Lancaster, Microstrip filters for RF/microwave applications, John Wiley & Sons, Inc., 2001. [3] G.L. Matthaei, L. Young, and E.M.T. Jones, Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures, Artech House, Norwood, MA, 1980, pp. 4 228. 作者简介 蔡得水, 男, 西安电子科技大学硕士研究生, 主要研究方向微波滤波器等