微带滤波器和耦合电路完整设计

1 前 言

当今的微波设 计师依赖许多工具来制作高效的电路和系统。他们要利用已有的参考资料和强大的EDA工具和电磁（EM）分析工具，还必须结合自己的实践经验来进行制作。这 些工作最终需要通过制作电路和测试完成的电路来实现。这篇文章描述了两个微带电路设计是如何使用各种不同工具开发，用电路板铣制设备快速制作，然后经过测 量来验证设计方法的正确性。

样例中的设计是一个典型的带宽3.7到4.2GHz的发夹型滤波器和一个1到8GHz的定向耦合器，使用Schi

ffman锯齿技术减小尺寸。发夹型滤波器用Agilent ADS1.3软件设计和仿真，用Sonnet Lite软件进行平面EM分析。耦合器运用了基于设计规则的变换，有一个现存的阶梯线形式的耦合器设计来启动。

两个电路都是用LPKF光电股份有限公司的Protomat C100HF型设备制作出来的，使用HP(Agilent) 8753E网络分析仪获得测量结果。

2 设计样例 3.7到4.2GHz的发夹型滤波器

2.1 设计

这个滤波器设计用于在3.7到4.2GHz的带宽上获得一个平坦的响应。插入损耗和回波损耗在此频段优于16dB。这个滤波器用在下变频器输入端进行镜频抑制。该设计选用一个典型的发夹型滤波器，它将能满足设计要求的性能和尺寸。

滤波器由ADS1.3设计，图1是结果图样。当然，这是一个熟悉的发夹型结构。滤波器占用的面积约为500 x 1200 mils (0.5 x 1.2 in.)，包括用来保持恒定逻辑属性的发夹循环所需的足够面积。

滤波器由ADS1.3设计结果图样

图2是在ADS中的设计和优化结构。这个拓扑形是中心对称的，所以设计成两段，由一个"背靠背"结构连接。由于数学方面上的结构尺寸减小，计算时间被大大缩减。

ADS中的设计和优化结构

图2，在ADS中的设计和优化结构。滤波器以两个镜像的图形块进行仿真，以实现对称结构

建立优化来获得在通带3.55至4.4GHz的最小16dB的回波损耗，在3.2GHz以下和4.7GHz以上最小28dB的阻带衰减。优化的频率范围是3.0-5.0GHz。更宽范围不要求获得预想的结果。

对最终设计的ADS仿真定义

图3，对最终设计的ADS仿真定义。仿真性能和滤波器图样都出自于这里的数据

图3显示了每一个"半滤波器"的ADS最终设计，包括端口、微带线、T形、弯曲和短凸形。注意短凸形的末端的0.1pF电容，说明具有末端效应（边缘电容）。图1的也有它们的显示。

仿真结果

图4，仿真结果。
（a）全程响应；（b）通带响应和插入损耗；（c）回波损耗；（d）Smith阻抗图

图4是模型化的性能显示。包括通带、阻带特性、回波损耗结果以及输入/输出阻抗的Smith图。这些图表说明ADS模型满足滤波器的设计标准。

2.2 EM分析

图5是滤波器尺寸的详图。设计的数据使用Sonnet软件公司的Sonnet Lite平面电磁场软件进行电路分析。

图5，滤波器的详细尺寸。

图6是EM分析结果。通带的响应比ADS预期的稍稍窄一些，但是如果制作出来的电路性能满足分析的话，仍将覆盖3.7到4.2GHz的带宽。通带的平坦性 非常接近ADS模型。回波损耗的响应在通带上比ADS仿真的对称性稍差一些。但仍能保持16dB或更好。

2.3 制作一个测试滤波器

为了比较发夹型滤波器设计模型和现实副本的性能，就要用电路板刻制机在一块典型的微波基板上制作一个测试滤波器。（使用LPKF光电股份有限公司的Protomat C100HF型设备，参见副文）

用ADS的设计图样数据（图1）生成刻制机必要的驱动文件。图形的尺寸直接由ADS导入LPKF软件。图7是电路板的制作图样。

2.4 测试性能

电路板按照设计图样铣制出来，安装了连接器后，经由HP 8753E网络分析仪测试。图8是滤波器样品电路板的性能(S21)和回波损耗(S11)，图表中每小格代表5dB，显示了在整个通带及阻带的性能状况，最低达到-45dB。

滤波器样品电路板的性能

图9和图8一样，只是通带以每小格1dB来显示通带的平坦性。回波损耗仍然以每小格5dB显示。

测试显示与模型非常一致。通带比ADS预期的稍微窄一些，但是比Sonnet Lite分析指示的量稍微小一些。三种模型方式及其测量都指出插入损耗和通带平坦性上的一致。

虽然在这三种模型和测量数据中回波损耗的图形有所不同，但每一个都保证了预期的16dB的指标，明显地展示了一个多极滤波器响应所预期应有的"弓形"。
3 设计样例 一个尺寸精简的阶梯线定向耦合器

3.1 设计

我们要考察的另一个电路是用经验技术开发的。我们想研究采用Schiffman技术减小电路尺寸的方法。这种技术是使用一种锯齿图样来减少机械尺寸以满足所要求的电气尺寸。

启动点选用了一个已有的1至8GHz的阶梯线耦合器，由CAP Wireless公司的Paul Daughenbaugh设计。这一设计被转换成刻制机制造用的图