糖葫蘆低通濾波器的結(jié)構(gòu)及原理方案設(shè)計(jì)

糖葫蘆低通濾波器結(jié)構(gòu)簡單，插損小，功率容量較高，是同軸線低通的最常見形式。糖葫蘆低通的設(shè)計(jì)方法遵循高低阻抗線低通濾波器的設(shè)計(jì)原理。但由于糖葫蘆低通屬于三維結(jié)構(gòu)，糖葫蘆低阻抗線的邊緣電容無法法忽視，直接使用高低阻抗互聯(lián)模型給出的高低阻抗線長度尺寸不夠準(zhǔn)確。這篇文章介紹一種簡單準(zhǔn)確的糖葫蘆低通的設(shè)計(jì)方法。

1、糖葫蘆低通的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)及對策

1.1、糖葫蘆低通的不連續(xù)性分析

典型的糖葫蘆低通濾波器結(jié)構(gòu)見圖 1所示，當(dāng)頻率較低時(shí)，由于糖葫蘆長度較大，邊緣電容相對于低阻抗線的對地電容較小，所以簡單的高低阻抗級聯(lián)模型就可以準(zhǔn)確表達(dá)出糖葫蘆的三維電磁仿真參數(shù)。但當(dāng)糖葫蘆應(yīng)用到較高頻率時(shí)，由于尺寸縮小，邊緣電容作用逐漸加大，變得不可忽略，如圖1所示的簡單的高低阻抗級聯(lián)電路模型變得不準(zhǔn)確。所以設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮低阻抗線邊緣電容的影響。

圖1 典型的糖葫蘆低通結(jié)構(gòu)及原理

最開始分析糖葫蘆低通設(shè)計(jì)時(shí)，個(gè)人考慮了兩個(gè)因素影響：

邊緣電容；

糖葫蘆間的平板電容耦合

根據(jù)這個(gè)思路建立了模型仿真，出來的結(jié)果頻率偏高，但駐波還不錯(cuò)。認(rèn)真觀察了糖葫蘆低通濾波器工作時(shí)的場型分布圖 1所示，發(fā)現(xiàn)糖葫蘆間只有邊緣電容場比較明顯，低阻抗間基本沒有平板電容場（互相耦合場），分析原因可能是因?yàn)榈妥杩归g用高阻抗線互聯(lián)，電位相當(dāng)，形成不了電容（也請大家一起討論）。然后只考慮邊緣電容影響進(jìn)行建模，取得了比較好的結(jié)果。所以糖葫蘆低通電路建模時(shí)主要考慮如何準(zhǔn)確表達(dá)邊緣電容作用。

1.2、邊緣電容的獲取

邊緣電容產(chǎn)生于階梯不連續(xù)處，一般情況下糖葫蘆高低阻抗線的尺寸是固定的，可以在設(shè)計(jì)之初規(guī)劃好尺寸，階梯可以在HFSS中建立圖 3所示的模型，獲取模型的S2P文件，這個(gè)兩端口文件可以準(zhǔn)確的描述高低阻抗級聯(lián)不連續(xù)處的各種效應(yīng)。然后將S2P文件帶入ADS的原理模型即可準(zhǔn)確表達(dá)糖葫蘆低通原理。

圖2 階梯不連續(xù)的表達(dá)

2、糖葫蘆低通濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)例

通過上面的介紹，糖葫蘆低通的設(shè)計(jì)步驟可以分為三步：

根據(jù)尺寸規(guī)劃高低阻抗線，仿真出高低阻抗階梯參數(shù)

ADS中建立糖葫蘆濾波器模型，得出三維仿真的參數(shù)

HFSS中建立三維仿真模型，驗(yàn)證結(jié)果。

2.1、尺寸規(guī)劃，獲得不連續(xù)階梯的仿真數(shù)據(jù)

這里用15GHz的實(shí)例為例介紹該濾波器的設(shè)計(jì)過程，并驗(yàn)證該方法的有效性。個(gè)人設(shè)定了一個(gè)模型參數(shù)見表格 1。

表格1 糖葫蘆濾波器關(guān)鍵尺寸規(guī)劃

根據(jù)表格1的數(shù)據(jù)建立一個(gè)圖 2所示的不連續(xù)階梯模型，仿真獲得階梯的S2P文件。

2.2、ADS中建立模型，獲得糖葫蘆關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)

根據(jù)前面的敘述，在ADS中建立模型見圖 4所示，不連續(xù)階梯用第一步仿真的S2P表示，在ADS中調(diào)整各參數(shù)使電路模型達(dá)到所需的理想響應(yīng)。詳細(xì)結(jié)果見圖 3所示。

圖3 ADS糖葫蘆模型及仿真結(jié)果

2.3、HFSS中建立模型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)第二步獲得結(jié)果，在HFSS中建立圖 4所示的模型，經(jīng)過仿真結(jié)果非常理想，基本不需要在HFSS中優(yōu)化，證明了上述ADS中電路模型的正確性。

圖4 三維仿真模型及一次仿真結(jié)果