CST實(shí)戰(zhàn)—雙頻濾波器設(shè)計(jì)

1、理論分析

在移動(dòng)通信中，我們經(jīng)常需要多頻段信號(hào)傳輸。那么收發(fā)系統(tǒng)中的關(guān)鍵一環(huán)——多通帶濾波器的設(shè)計(jì)，成為了現(xiàn)在設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)一般有多種方法，常見(jiàn)的有帶通濾波器與帶阻濾波器串聯(lián)形成雙通帶、雙模式諧振，構(gòu)造雙通帶函數(shù)以及四分之波長(zhǎng)開(kāi)路短截線(xiàn)法等[1]。

本文采用開(kāi)路短截線(xiàn)的方法。在一個(gè)寬頻帶上采用四分之一開(kāi)路短截線(xiàn)，將寬頻帶上的傳輸信號(hào)阻斷，構(gòu)造一個(gè)帶阻濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻帶的濾波器設(shè)計(jì)。

2、設(shè)計(jì)建模

1、設(shè)計(jì)指標(biāo)：

一通帶范圍2.4GHz-3GHz，二通帶范圍5.1GHz-5.8GHz；通帶內(nèi)VSWR<2；通帶內(nèi)插入損耗小于3dB;帶外抑制小于20dB。

2、帶通濾波器建模

如上圖所示為寬帶四分之一短截線(xiàn)微帶帶通濾波器模型。縱向條帶均為四分之一波長(zhǎng)lambda=c/(4*f)=15mm左右。（由于寬頻帶，我們f采用5GHz作為初值）在條帶終端我們?cè)O(shè)置通孔(via)將條帶接地，構(gòu)成微帶短截線(xiàn)。同時(shí)各縱向條帶間的間距也為四分之波長(zhǎng)。

板材采用Rogers5880，介電常數(shù)2.2，板材厚度0.508。使用此值為高頻常用板材，Q值低，帶寬大。

圖形建模采用參數(shù)化建模，同時(shí)將模型分為左右兩部分只構(gòu)建左邊模型，接著采用mirror鏡像即可。如下圖所示

建模完成后，我們?cè)O(shè)置求解過(guò)程。

（1）Freuency：0-7GHz

（2）Boundaries：

Y,Z方向：open(add space)

        X方向：open

（3）Solver：Time Domain

（4）waveguide Port：直接選擇x方向的Positive和Negative即可。

具體設(shè)置過(guò)程請(qǐng)查看往期CST詳細(xì)使用過(guò)程。

（5）結(jié)果分析：

如上圖所示為仿真后的結(jié)果。3dB通帶范圍為2.6GHz-5.9GHz。右邊帶達(dá)到設(shè)計(jì)要求，左邊帶未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。不要擔(dān)心，這只是設(shè)計(jì)過(guò)程，基本達(dá)標(biāo)即可，下面我們還要進(jìn)行優(yōu)化。

3、帶通濾波器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)模型如下圖所示，以上文同樣的方法采用mirror鏡像將下面的帶阻部分建模。即四條四分之波長(zhǎng)傳輸線(xiàn)。注：此時(shí)不是短截線(xiàn)。

模型設(shè)計(jì)好以后，我們跑一次發(fā)現(xiàn)，根本達(dá)不到設(shè)計(jì)要求（注:筆者此時(shí)的四分之波長(zhǎng)微帶線(xiàn)均為優(yōu)化好的長(zhǎng)度，所以略有偏差。），于是我們采用CST的優(yōu)化方法，將濾波器進(jìn)行優(yōu)化，得到我我們需要的參數(shù)指標(biāo)。讀者也若對(duì)濾波器有一定理論基礎(chǔ)，也可以采用Par.Sweep的方法手動(dòng)調(diào)整參數(shù)，提高效率。注意調(diào)節(jié)順序?yàn)樯厦嫖鍌€(gè)調(diào)整帶通，下面4個(gè)調(diào)整帶阻即可。本文才用傻瓜式的優(yōu)化形式。

CST的優(yōu)化方法如下圖所示，打開(kāi)Optimizer。如下圖所示。

在Settings界面，我們選擇最基本的Trust Region Framework的優(yōu)化模式。接著選擇全部的影響濾波器的參數(shù)。即各條傳輸線(xiàn)的寬度w1-w9；上下各條傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度L_1-L_9。選擇10%的初始值波動(dòng)范圍。

在goals頁(yè)面，我們?cè)O(shè)定目標(biāo)函數(shù)

（1）設(shè)定S21參數(shù)，即通帶內(nèi)2.4-3GHz內(nèi)S21的幅度(Mag/dB)>-3dB。同理我們?cè)O(shè)置第二頻段。

（2）設(shè)定S11參數(shù)。即通帶內(nèi)2.4-3GHz內(nèi)S11的幅度(Mag/dB)>-10dB。同理我們?cè)O(shè)置第二頻段。（注:S11小于-10dB的意思為VSWR小于2，與題目對(duì)應(yīng)。具體計(jì)算過(guò)程參考微波技術(shù)基礎(chǔ)中反射系數(shù)Γ，S11，VSWR的關(guān)系）。

（3）點(diǎn)擊Start開(kāi)始求解。完成后，我們得到結(jié)果如下：

1/通帶插入損耗與帶外抑制：

讀下圖我們發(fā)現(xiàn)，通帶內(nèi)插損2.4-3GHz、5.1-5.8GHz均小于-3dB；圖中mark3，帶外抑制達(dá)到-20dB。

2/電壓駐波比VSWR

讀下圖我們發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)指標(biāo)內(nèi)2.4-3GHz、5.1-5.8GHz基本達(dá)到小于2的設(shè)計(jì)要求。

最后，我們通過(guò)Monitors觀察濾波器上的場(chǎng)分布，如下所示。我們采用通帶內(nèi)的2.7GHz和5.5GHz，我們發(fā)現(xiàn)四分之一波長(zhǎng)傳輸線(xiàn)上右明顯的一個(gè)駐波的電壓分布，即達(dá)到了四分之波長(zhǎng)的設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)本文的仿真環(huán)節(jié)，也可以采用ADS優(yōu)化，采用CST驗(yàn)證的方式。