O 引言

　　在過去的十年中，由于無線個人通信及其他可移動接收機和發射機應用的迅猛增長為低損耗、小尺寸、重量輕且價格低廉的濾波器形成了一個重要的市場，這為微波濾波器的發展創造了很好的契機。微波濾波器作為系統中廣泛使用的無源器件之一，它的性能好壞將直接影響到整個系統的優劣，而微帶濾波器則因其重量輕、成本低、易加工更被看重。微帶濾波器常采用的形式有發夾型、平行耦合線、梳狀線、交指型和微帶類橢圓函數濾波器等。但是不同形式的濾波器往往存在著各自的缺陷。例如平行耦合線濾波器由于各平行耦合節在一個方向上級聯，故尺寸較大;梳狀線濾波器和交指濾波器則需要過孔接地，這樣在高頻情況下就會不可避免的引入誤差;橢圓函數濾波器的設計過程比較復雜，較難實現;而發夾型諧振器通過適當的耦合拓撲結構實現的濾波器，一方面，它是半波長耦合微帶線濾波器的一種改良結構，結構比較緊湊，易于集成、尺寸較小;另一方面，其耦合線終端開路，無需過孔接地，這消除了過地孔引入的誤差。因此，它具有更好的電性能，因而在微波平面電路的設計中有著良好的應用前景。

　　本文所研究的就是微帶發夾型濾波器，根據微帶濾波器設計的基本原理，并利用ADS在微帶濾波器設計中的優化仿真功能，通過設計一個通帶為1.70～1.80G的帶通濾波器，詳細論述了微帶發夾型濾波器的通用設計方法。

　　l 發夾濾波器的綜合設計

　　1.1 諧振單元的奇偶模阻抗

　　發夾型濾波器以開路式對稱耦合微帶單元級聯而成，如圖l(a)所示，其A矩陣為：

　　其等效電路圖1(b)的A矩陣為：

　　式中，耦合諧振器帶通濾波器的導納倒置器的導納J為：

　　其中，gi為低通原型濾波器元件值，FBW為濾波器相對帶寬。

　　1.2 諧振器的耦合系數

　　耦合系數的計算精確與否直接關系到濾波器設計是否成功。因此，設計濾波器時，必須完成耦合系數的計算。兩個發夾型諧振器之間的耦合根據諧振器放置的相對位置可分為電耦合、磁耦合和混合耦合三種情況，如圖2所示。諧振器的間距s和相對位置偏移d決定了耦合系數的大小。

　　諧振器之間的耦合系數K可按下列式(5)進行計算：

　　fp1和fp2是當兩個諧振器間的中心面分別被定義為電壁和磁壁時的諧振頻率。

　　實際應用中，對于級聯型濾波器，計算相鄰諧振器間耦合系數一般使用下面的通用計算公式：

　　1.3 抽頭位置的確定

　　抽頭線發夾諧振器如圖3(a)所示，當忽略發夾型諧振器兩臂間自耦合的影響，可以得到其等效電路如圖3(b)所示。

　　抽頭位置l可由式(7)結合發夾諧振器的外部耦合系數式(8)是來確定。

　　上兩式中，l是指抽頭線到諧振器中間位置的距離，L=λg/4，R是抽頭線的特性阻抗，Z0是發夾線的特性阻抗，Ke是發夾諧振器的外部耦合系數。

　　2 設計實例

　　設計一個5節發夾型帶通濾波器，設計目標：中心頻率f0=1.75GHz帶寬為100MHz;帶內差損：一2dB;帶內紋波：0.1dB;帶外抑制：1.60GHz和1.90GHz時衰減一40dB。選用FR4雙面敷銅板作為基板，厚度h=0.8mm，介電常數為4.8，損耗正切tanD=le一4，敷銅厚度M=0.035mm。

　　查表得波紋為0.1dB的5階ChebyShev低通原型濾波器滿足上述指標，其元件值為：g0=g6=1、g1=g5=0.7563、g2=g4=1.3049、g3=1.5773。根據以上參數，由(3)式和(4)式可得濾波器的奇、偶模阻抗，可由ADS中的linecalc計算出w、s、L的初值，見表1。

　　由(7)式與(8)式可估算抽頭位置：l=0.223L，這里取l=5.1mm。

　　根據以上參數進行Momentunl設計與仿真。在仿真模型中用了3個優化目標：1)通帶差損：S(2，1)一2dB;2)通帶回波損耗：S(1，1)一20dB;3)阻帶(1.60GHz且1.90GMHz)時，S(2，1)一40dB。經過數次優化后，得到微帶發夾型濾波器版圖仿真結果如圖4所示。

　　3 實驗分析

　　ADS Momentum仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算，其結果比在原理圖中仿真要準確，對設計也更有意義，但是它的計算比較復雜，需要較長的時間;另外，還要考慮到受加工工藝的限制，在工程上一般要求線寬s和縫隙w要大于0.2mm。優化時根據情況可對優化目標、優化變量的取值范圍、優化方法及次數進行適當的調整。從仿真結果圖可以看出，理論計算與實際設計有一定的差值，差損s(2，1)一16dB，一般工程上要求s(2，1)一13dB。所以本設計達到了工程應用的要求。

　　4 結束語

　　微帶發夾型濾波器具有尺寸小、易集成、成本低、設計較為簡單等優點，在微波平面電路的設計中被一致看好，具有很好的實際應用價值。利用ADS設計方法擺脫了盲目性的人工調試，大大縮短了研制周期、減少了設計成本，并比較容易達到指標要求。