微带滤波器与耦合器电路的设计、制作与测量

本文介绍了一些微带电路的的实例，为我们使用多种工程资源提供了非常有价值的指南，其中包括：参考书的使用，全面的EDA工具，电磁分析方法以及快速样品板制作设备的使用。

今日的微波设计者使用多种工具以帮助自己实现有效的电路和系统设计。他们借助的资源包括他们的参考书库，功能强大的EDA软件，电磁（EM）分析工具，以及他们的个人经验。通常，他们的设计需要通过制作最终的电路板成品，并对其进行测试来得到验证。我们用不同的设计方法设计了两种微带电路，并且利用电路板雕刻机快速制作了样品；根据两个样品的测试结果的比较来判断这两种设计方法的优劣。

要求设计的样品是经典的发夹式滤波器，带宽要求在3.7到4.2GHz；还有一个1到8GHz单向耦合器，我们使用了Schiffman锯齿技术来减小它的尺寸。发夹式滤波器使用Agilent公司的ADS1.3[1]来做设计和模拟，而平面电磁分析则利用Sonnet Lite [2]完成。与此不同，耦合器的设计从已有的阶梯线耦合器开始，采用了设计规则变换的方法来完成。以上的两个电路都使用了LPKF激光电子的ProtoMat C100HF电路板雕刻机完成制作。结果使用HP (Agilent) 8753E网络分析仪做了测量。

设计实例#1:一个3.7GHz到4.2GHz的发夹式滤波器

这个滤波器要求在3.7GHz到4.2GHz波段内平直响应，并且插损和回损要求控制在16dB以内。我们选择了经典的发夹式设计，因为经验告诉我们，它能够达到所要求的性能和尺寸。

这个滤波器使用ADS1.3设计，设计图见图1。这个当然就是我们所熟悉的发夹式设计。滤波器所占据的面积大约是0.5*1.2 英寸，另外还要加上发夹电路外足够大的面积来保持介电特性的一致性。

图1 使用ADS1.3设计的3.7到4.2GHz发夹式滤波器。

图2是ADS中的设计和优化设置。由于这个拓扑结构是中心对称，它被设计成两部分背靠背的形式。如此一来，对称的设计让之后的模拟计算变的简单，计算的时间大幅减小。

图2 ADS中的优化设置。正如文中所说，滤波器包含了两个镜像单元，以使之对称。

优化所设定的目标是以最少16dB的回损实现3.55到4.4GHz范围内的带通滤波，3.2GHz以下，4.7GHz以上28dB stopband attenuation。优化的频率区间是3.0到5.0GHz。更大的范围没有必要。

图3是ADS给出的每个滤波器的最终设计图，包括了端口，微带线，T字，转角以及stubs。注意到stub末端的0.1pF的电容end effect（散射电容）。这些在图1中也有。

图3 最终设计的ADS模拟定义。模拟性能数据和滤波器设计图案都从这里导出。

该模型的性能由图4给出。这些图显示了ADS模拟的带通，截止，回损的结果以及输入输出阻抗比的Smith图。这些图显示，ADS的设计模型能够满足滤波器相应的设计标准。

图4 滤波器的计算机模拟结果：(a) 总体响应，(b) 带通响应和插入损耗(c) 回损(d)阻抗的Smith图。

EM分析

图5是表示滤波器的所有尺寸。这份设计图被Sonnet Lite平面电磁场分析软件用来做电路性能分析。

图5 发夹式滤波器的具体尺寸。

图6是EM分析的结果。这里的带通波段比ADS预言的略窄，但是已经包含了3.7到4.2GHz波段。通带平整度与ADS给出的结果非常接近。通带内的回损响应没有ADS给出那么对称，但是在整个范围内保持在16dB 左右。

图6 Sonnet Lite的EM分析结果。从结果可以看出相关响应满足设计标准。

制作测试滤波器

为了比较发夹滤波器的设计模型和实际效果，我们在微波覆铜板上使用雕刻机制作了一个测试样品。

ADS的设计图样，经过简单处理之后，变成雕刻机的驱动文件。设计图中的相应尺寸被直接调用到LPKF的配套软件中。图7是LPKF CircuitCAM产生的加工数据。

图7 电路板设计图样加工数据。

性能测试

板子被铣成设计图样后，我们两端接上连接器，并且用HP 8753E网络分析仪对滤波器进行了测量。图8是样品滤波器的透过性能(S21) 以及回损(S11)测量值。这个图的比例是每格5dB，用以说明整体通带/截止性能小于-45dB。

图8 滤波器样品的通带和回损测量结果。

图9与图8相同，不过带通的比例为每格1dB，用以说明通带的平整度。图中回损依然是每格5dB。

图9 与图8相同，不过带通数据的分辨率为每格1dB。

实测结果与模拟结果符合的很好。通带比ADS预言的稍窄，但比Sonnet Lite给的值小。三种建模方法和测量结果在插入损耗和通带平整度方面都符合得很好。

尽管从回损的形状上讲，模型和实测结果都各不相同，但是每一个都达到了16dB的规格要求，而且清晰显示出多极滤波器特有的驼峰响应。

设计实例#2:一个缩小了的阶梯线单向耦合器

下一个我们将要检查的电路是用经验技术开发的。我们想要考察一种减小微带电路尺寸的