一種懸置線高通濾波器設(shè)計(jì)詳細(xì)教程

高通濾波器在濾波電路中占據(jù)了重要的地位，它和低通濾波器配合可以構(gòu)成超寬帶濾波器，也可以構(gòu)成通帶相接的頻率分配器，超寬帶的吸收式濾波器也需要采用這個(gè)器件。其他結(jié)構(gòu)的濾波器在課本和網(wǎng)站上均能找到大量的參考資料，但寬帶的高通濾波器很少見到簡(jiǎn)單高效的設(shè)計(jì)方法，這里用一個(gè)2GHz超寬帶高通濾波器實(shí)例來說明懸置線高通濾波器的設(shè)計(jì)原理和方法。

1、高通濾波器的常見類型

常見的高通濾波器有下面幾種類型，見圖1所示：

· 分布參數(shù)并聯(lián)短路短截線型：

《Microstrip Filters for RF/Microwave Applications》有詳細(xì)原理介紹

· 半集總參數(shù)型（懸置線高通/叉指電容等）

有效文章較少，本文重點(diǎn)介紹

· 寬帶帶通型（交指等帶通寬帶結(jié)構(gòu)）

可參考帶通濾波器設(shè)計(jì)方法

· 波導(dǎo)型（波導(dǎo)天然是高通）

圖1、常見高通濾波器結(jié)構(gòu)

2、懸置線高通濾波器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)及對(duì)策

1）、懸置線高通濾波器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

懸置線高通濾波器屬于半集總參數(shù)濾波器，在所有形式的高通濾波器中，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)最高的帶寬，可高達(dá)20倍頻程。

一個(gè)典型的高通電路見圖2所示，把理想的LC原型轉(zhuǎn)換為實(shí)際物理結(jié)構(gòu)時(shí)，并聯(lián)短路電感可以用一節(jié)傳輸線準(zhǔn)確表示，但是如何準(zhǔn)確的表示串聯(lián)電容對(duì)于懸置線高通濾波器設(shè)計(jì)來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。該文章的核心也在于此。

圖2、典型高通原型及實(shí)際模型

2）、懸置線高通濾波器的設(shè)計(jì)對(duì)策

第一次做懸置線高通濾波器時(shí)，我嘗試采用了下面幾種方法，這些方法也是一般情況從業(yè)人員下意識(shí)能夠想到的。

· 平板電容法計(jì)算懸置線串聯(lián)電容尺寸

· 單獨(dú)仿真電容結(jié)構(gòu)，參數(shù)提取出電容值

這些方法雖然笨拙，但經(jīng)過多次的迭代也能把該濾波器設(shè)計(jì)出來。

為了獲得一種簡(jiǎn)介高效的模型，通過文獻(xiàn)閱讀，最后發(fā)現(xiàn)解決辦法就在最基礎(chǔ)的傳輸線理論上，見圖3所示。懸置線的串聯(lián)電容是一個(gè)耦合微帶線，描述耦合微帶線的模型可以準(zhǔn)確的描述該結(jié)構(gòu)。當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)高通濾波器時(shí)，通過圖3的等效原理可以計(jì)算出所需耦合線的奇模阻抗和長度，通過奇模阻抗我們可以確定耦合微帶線的尺寸。同時(shí)偶模阻抗對(duì)濾波器性能的影響也可以通過電路仿真提前識(shí)別出來。

如果對(duì)濾波器設(shè)計(jì)感興趣，建議認(rèn)真學(xué)習(xí)并理解耦合線的模型。推薦書目《現(xiàn)代濾波器結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)》或《微帶電路》。

圖3、串聯(lián)電容的準(zhǔn)確描述模型

3、懸置線高通濾波器的設(shè)計(jì)

1）、設(shè)計(jì)步驟

懸置線高通濾波器遵循下列步驟：

a）、指標(biāo)分析，根據(jù)傳輸線的周期性以及濾波器其他要求計(jì)算選擇合理結(jié)構(gòu)

b）、ADS中利用耦合線建立高通模型，獲取準(zhǔn)確的三維電磁仿真模型

c）、Sonnet或者HFSS中電磁仿真，驗(yàn)證優(yōu)化模型

2）、設(shè)計(jì)實(shí)例

a）、指標(biāo)分析，選擇合理結(jié)構(gòu)

通常情況下需要分析帶寬，體積，功率容量，濾波器階數(shù)，是否需要帶外零點(diǎn)，以選擇合適的結(jié)構(gòu)和尺寸。這里由于作為方法講解，就選擇一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單模型，略去指標(biāo)分析步驟。

b） 、ADS中建立高通模型，獲取準(zhǔn)確的三維電磁仿真模型

根據(jù)第2節(jié)分析，串聯(lián)電容C=1/2*Yotanθ，可以確定出耦合微帶線的基本尺寸。由于個(gè)人習(xí)慣在ADS中采用優(yōu)化方法，這里不做詳細(xì)計(jì)算，感興趣可以自行推導(dǎo)。根據(jù)個(gè)人習(xí)慣懸置線的基本參數(shù)見表格1所示。詳細(xì)計(jì)算見圖4所示

表格1、懸置線的關(guān)鍵物理尺寸

物理

尺寸上下空氣腔體高介質(zhì)厚度介電常數(shù)耦合微帶線寬并聯(lián)電感最細(xì)線條

1mm0.127mm2.942mm0.2mm

3mm耦合線參數(shù)并聯(lián)最高阻抗

理論

數(shù)據(jù)ZeKeZoKoZHKh

114.541.036.182.711551.03

圖4、關(guān)鍵尺寸的計(jì)算

通過上面的關(guān)鍵參數(shù)獲取，在ADS中建立圖5所示的懸置線高通模型，通過調(diào)諧和優(yōu)化各傳輸線長度，使該模型達(dá)到理論響應(yīng)。

圖5、ADS中懸置線高通模型

c）、Sonnet電磁仿真驗(yàn)證

根據(jù)上述電路仿真，獲得各耦合傳輸線及并聯(lián)短路傳輸線的實(shí)際物理尺寸，在sonnet中建立圖6所示的高通模型，通過一次仿真結(jié)果見圖6所示。

圖6、電磁仿真驗(yàn)證及一次仿真結(jié)果

通過仿真可以看到，電磁仿真結(jié)果同理論設(shè)計(jì)非常接近，證明了該設(shè)計(jì)方法的正確性。但電磁仿真駐波較差，主要是下面幾個(gè)因素沒有在模型中表達(dá)：

· 串聯(lián)電容和并聯(lián)電感的T型結(jié)沒有在電路模型中表達(dá)，追求完美的朋友可以通過S3P文件表述T型結(jié)；

· 串聯(lián)電容的邊緣電容沒有表達(dá)，同樣可以通過S3P文件表達(dá)；

· 并聯(lián)短路短截線間存在互相耦合，該耦合沒有在電路中表達(dá)，限于篇幅，此問題將在后續(xù)專門通過一篇文章描述。

實(shí)踐證明在并聯(lián)短路短截線超過0.5mm間隙時(shí)，只用將T型結(jié)及邊緣電容表述清楚后電路模型就會(huì)足夠準(zhǔn)確。