1.平面低通濾波器簡(jiǎn)介

隨著現(xiàn)在微波鏈路越來(lái)越高頻化，小型化，直接在鏈路中集成低通的現(xiàn)象越來(lái)越普遍。同時(shí)很多芯片化的低通也大都是在高介電陶瓷片上實(shí)現(xiàn)的微帶濾波器。陶瓷片型的芯片電容，電感，均衡器都需要用到平面低通的設(shè)計(jì)概念。

常見(jiàn)的低通濾波器在ADS中的模型及結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。

圖1 常見(jiàn)的平面結(jié)構(gòu)低通濾波器

三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表 1，通常對(duì)要求比較高的設(shè)計(jì)時(shí)可綜合三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行折中設(shè)計(jì)。

表 1 三種結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2.平面低通濾波器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

本次總結(jié)的理論基礎(chǔ)來(lái)源于《Microstrip Filters for RF and Microwave Applications 2001》第4/5章，核心理論為圖2的高低阻抗線等效電路。結(jié)論是：一段高阻抗線可以等效為電感，一段低阻抗線等效為一個(gè)到地電容。（如果理解傳輸線的特征阻抗用微分形式的集總參數(shù)表示為sqrt（L/C），高阻L一定很大，低阻C一定很大，就可以比較形象的理解此等效原理。）

圖2 高低阻抗線等效電路

3.平面低通設(shè)計(jì)實(shí)列

一個(gè)平面低通遵循下列設(shè)計(jì)步驟。

1)規(guī)劃高低阻抗線阻抗，高阻受限于線條加工能力和功率容量，一般小功率應(yīng)用可以取到0.15mm，低阻寬度受到濾波器尺寸限制，受到長(zhǎng)寬比限制。（一般高低阻抗比例越大，寄生通帶越遠(yuǎn)，但寄生通帶遠(yuǎn)也意味著近端抑制會(huì)差，所以設(shè)計(jì)時(shí)可靈活配置各枝節(jié)阻抗，達(dá)到寄生通帶和矩形系數(shù)的均衡）

2)ADS建模仿真獲取初始電磁仿真參數(shù)

3)電磁仿真驗(yàn)證優(yōu)化

本例用一個(gè)10GHz的平面低通作為實(shí)例，為了方便采用混合結(jié)構(gòu)形式。

1) 規(guī)劃高低阻抗線

高低阻抗規(guī)劃要折衷級(jí)數(shù)/尺寸以及電性能，在實(shí)際設(shè)計(jì)中有迭代過(guò)程。高低阻抗計(jì)算有很多工具，這里推薦一個(gè)：polar SI9000（可以百度自行搜索），傳輸線特性參數(shù)計(jì)算非常實(shí)用的工具。本例中高阻選取加工極限0.15mm，低阻折中尺寸和寄生通帶選取1mm寬，通過(guò)圖 3計(jì)算可以得到1mm線寬的特性參數(shù)（特征阻抗和有效介電常數(shù)）為：

W=1mm              Z=33歐 Er=（2.98/2.16）^2=1.90  (光速比相速的平方)

W=0.15mm           Z=96歐 Er=1.69

圖3 傳輸線阻抗計(jì)算

2) ADS建模

在ADS中建立由高低阻抗傳輸線級(jí)聯(lián)的理想電路模型，獲取電磁仿真的初始參數(shù)，個(gè)人習(xí)慣采用ADS中Tline-ideal中的TlineP，該模型有兩個(gè)三個(gè)參數(shù)：阻抗/有效介電常數(shù)/長(zhǎng)度，前兩個(gè)參數(shù)在高低阻抗線規(guī)劃中已經(jīng)獲得，模型建模時(shí)只有物理長(zhǎng)度一個(gè)變量，可以用1/8波長(zhǎng)作為初始值，然后通過(guò)ADS中的優(yōu)化快速獲取準(zhǔn)確的物理長(zhǎng)度。詳細(xì)的模型見(jiàn)圖 4。

圖4 ADS模型優(yōu)化獲取電磁仿真尺寸

3) Sonnet電磁仿真

所有平面結(jié)構(gòu)的微波器件個(gè)人習(xí)慣使用sonnet進(jìn)行仿真，sonnet可以隨意更改結(jié)構(gòu)形狀，很接近實(shí)際調(diào)試時(shí)采用的方法，并且仿真速度非常快，很適合平面結(jié)構(gòu)的電磁仿真。

在sonnet中根據(jù)ADS仿真中獲取的尺寸建立初始電磁仿真模型如圖 5所示。

圖5 sonnet第一次電磁仿真結(jié)構(gòu)和結(jié)果

通過(guò)電磁仿真可以發(fā)現(xiàn)ADS模型中給出的參數(shù)已經(jīng)非常準(zhǔn)確了,在電磁仿真時(shí)基本不需要優(yōu)化了。

但ADS中的模型畢竟不能模擬各個(gè)短截線間的耦合效應(yīng)，接頭不連續(xù)效應(yīng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通常只需要微調(diào)下高阻線的長(zhǎng)度就可以得到很好的設(shè)計(jì)結(jié)果了。