基于ADS微带耦合滤波器的设计(4)

基于ADS的微带耦合滤波器设计

第三章 平行微带耦合滤波器的设计

3.1 传输线理论

3.1.1 微带线的结构及传输模式

微带线主要由三部分组成：最上面是宽度为W，高度为t的导带体，下层是接地板，制作底层接地板的材料一般釆用(如银、金、铜)这些导电性能比较的金属材料良好的材料,中间部分用介质基板填充，这种填充介质的介电常数为

?r，接地板的厚度用h表示。

图3.1 微带线结构

3.1.2 耦合微带线及其传输模式

上面已经对微带线做了详细的阐述[17]，在微波电路中，平行耦合线就是在微带线中加一条与原来微带线一样并且平行的导带。平行耦合微带线的作用非常多，例如组成振荡回路、偏置电路、定向耦合器等基础的元器件[18]，还能够根据它的特性组成类型不同、形状不同、结构不同的滤波器。耦合微带线由以下三部分构成：上面是两条平行的金属导带，宽均为W，高度为t，两条金属导带的距离为S，下层是接地板,制作底层接地板的材料一般采用(如银、金、铜)这些导电性能比较的金属材料良好的材料，中间部分用介质基板填充，这种填充介质的介电常数为?r ,接地板的厚度用h表示。

图3.2 平行耦合微带线结构

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3.1.3 传输线的基本特性参数

传输线的基本特性参数包括传输线的特性阻抗、反射系数、驻波比、输入阻抗、传输常数和传输功率等等[19]。微带线是目前射频微波中使用最多最常见的传输线，是平面型结构，在PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)上可以通过使用蚀刻电路技术制作，方便与各种射频元器件外连接从而实现不同的电路，可以在一块共有的介质基片上实现完整电路的制作，使射频部件及微波系统向高集成度、小型化方向发展。

1、微带线的有效介电常数

微带线导体带的上方为空气，下面为介质，然后假设一种微带线，这个微带线全部填充等效介质，?re(1??re??r)为这种等效介质的相对介电常数，等效微带线和现实的微带线有同样的特征阻抗与相速度，这个等效关系由?re决定

微带线的有效相对介电常数的近似计算公式为[20]：

?re

1?2???r?1?r?1??12h?2???????2???0.041?1????h?22???h????? （3.1）

?re??r?1?r?1?2?212h??2??????12??h式中W表示导体带宽度，h表示介质基板厚度。

2、微带线的特性阻抗Z0

根据上面的?re，能够获得Z0近似计算公式：

Z0?60?re?8h??ln?????4h?120???h

（3.2）

Z0????????re??1.393?0.667ln??1.44?4?hh??????h在给定微带线的特性阻抗Z0和相对介电常数?r后，也可以求出w/h的值。w/h值的

计算公式为：

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8eA?2Ahe?2?2??r?1?0.61????B?ln?2B?1????ln(B?1)?0.39?h??2?r??r??????2h （3.3） ??2h式中：

A?Z0?r?1?r?1?377?0.11???， （ 3.4） B??0.23???602?r?1??r?2Z0?r 3、微带线的传输特性

微带线的传输模式为准TEM模，但是微带下的传输特性按照TEM模近似计算。在TEM波传输中，波的常数在忽略损耗时??j?，其中??0为自由空间波长，微带线同其他

2??0?e，λ

TEM类型传输线相同，波的速度同样满足关

系式VP??c，将??2?f代入得到微带线的相速度和波长VP?，??re?P??。 ?re 4微带线的损耗与衰减

损耗是传输线的重要传输特性之一，不仅存在于同轴线、波导中，也同样存在于微带线中，并且由于微带线的不封闭结构，微带线的损耗远大于同轴线与波导。微带线除了导体损耗和介质损耗外，还有辐射损耗，微带线的损耗可以用衰减常数来表示。如果忽略辐射损耗，则微带线的衰减常数为???d??c，其中，?d由微带线介质损耗引起，?c由微带线导体损耗引起。

微带线的介质损耗是有节制的漏电导致的，为了减小微带线的介质损耗，可以选择一些导电性能良好的介电质作为基板。对于低损耗介质，微带传输线的介质损耗是：

?d?27.3?r?re?1tan? ?dB/cm? （3.5）

?r?1?re?0式中tan?为损耗角正切。对于比较高的损耗电介质，微带传输线的介质损耗是：

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?d?4.34??01?re?1?dB/cm? （3.6）?

?0?r?1?re当电流通过导体条和介质底板是，由于它们都有一定的电导率，所以会产生热量，发生热损耗现象，这一部分就是微带传输线的导体损耗。由于相对于同轴线和波导来说，微带线的横截面比较小，所以散热较慢，那么产生的热量也就越多，造成的损耗也就越大，也是微带传输线导体损耗的最主要部分。故而它的导体损耗由?c??f?0RS所表示。其中，RS?，?为导体的电导率。

?Z0W3.2 微带滤波器的技术指标

1、通带边界频率与通带内衰减、起伏； 2、阻带边界频率与阻带衰减； 3、通带的输入电压驻波比； 4、通带内相移与群时延； 5、寄生通带；

6、前两项是描述衰减特性的，是滤波器的主要技术指标，决定了滤波器的性能和种类(高通、低通、带通、带阻等)；

7、输入电压驻波比描述了滤波器的反射损耗的大小；

8、群时延是指网络的相移随频率的变化率，定义为d?/df，群时延为常数时，信号通过网络才不会产生相位失真；

9、寄生通带是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的，它是离设计通带一定距离处又出现的通带，设计时要避免阻带内出现寄生通带[21]。

3.3 平行微带耦合滤波器的设计

3.3.1 平行耦合微带线带通滤波器的原理

在微带低通及带阻滤波电路中，输入端与输出端始终有导带直接连接。但是在带通滤波电路中，微带线不能直接相连，必须通过微带线之间的耦合来使得射频信号通过，阻断低频信号。因此，常用两条想接近的平行微带线来构成

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带通滤波器。

位于同一介质基板上，相距s的一对平行微带线，当两条微带线间的距离s远大于介质厚d时，微带线之间的耦合可以忽略。然而当s可与d相比较时，两微带间的耦合不能忽略，此时会产生耦合电容及互感，根据每根微带线上的终端电压及电流，可以定义偶模电压、偶模电流及奇模电压、奇模电流。通过引入奇偶模，可以方便的建立起基本方程，分别求出相应的奇模阻抗(Z0e)及偶模阻抗(Z0o)。

图3.3 两条微带线的分布 图3.4 传输线等效电路

下图是一个微带带通滤波器及其等效电路，它由平行的耦合线节相连组成，并且是左右对称的，每一个耦合线节长度约为四分之一波长(对中心频率而言)，构成谐振电路[22]。

图3.5 级联微带线带通滤波器、等效电路

设计流程：为设计出符合要求的带通滤波器，可以将传统的平行耦合微带线设计方法与先进的微波电路仿真软件ADS相结合，使全部设计要求转换成实际的滤波器设计，下图是平行耦合微带线滤波器的设计的流程图。

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