基于平衡技术的微带低通滤波器版图优化设计

摘要：微带线结构的不连续性，使反射损耗和插入损耗较大，影响滤波器性能。利用平衡法提升滤波器并联分支中较低的特性阻抗，达到降低微带线宽度的目的，从而均衡整个滤波器的宽度，使版图仿真优化。以一个5阶切比雪夫微带低通滤波器设计为例，仿真结果表明，滤波器通带内反射损耗从-9．566 dB降低到-15．837 dB，插入损耗从0．679 dB降低到0．322 dB，与直接采用Richards变换和Kuroda规则设计微带低通滤波器相比，该方法能缩短滤波器设计周期，获得满意的滤波器性能。
关键词：低通滤波器；微带线；平衡技术；版图优化

    微带滤波器是无线通信的重要部件。随着无线通信系统的发展，加速了微带滤波器的研究进程，发明许多Q值适中、重量轻、稳定性好的微带滤波器。计算机辅助设计软件的出现，使设计者在设计过程中避免繁杂的计算过程，提高复杂电路设计效率，缩短设计周期。设计者通常运用Richards变换与Kuroda规则设计微带低通滤波器。该方法设计的滤波器在接头处会由于相邻耦合线线宽不同产生不连续性，使插入损耗较大，不满足一些射频通信的要求。为了解决此问题，采用电磁带隙结构与高低阻抗线结合的方法，改善了通带性能，但阻带性能变差，体积变大。运用分形技术设计高低阻抗滤波器取得了一定的效果，但设计方法复杂，对于加工精度要求较高。
    本文提出一种采用平衡技术优化微带低通滤波器版图的方法，并以5节切比雪夫微带低通滤波器为例，通过在低特性阻抗并联传输线节点处再并联相同长度的微带线，修改两条微带线特性阻抗为原来的两倍达到优化版图的目的。原理图仿真和版图仿真均验证了该方法的可行性。该方法简单易行，只需使用ADS软件就能方便修改，并且可以用于带阻滤波器等其他微带结构的滤波器，具有良好的应用前景。

1 平衡技术设计原理
    使用Richards变换和Kuroda规则设计微带滤波器，所得串并联传输线长度理论上是相同的。选取各支节传输线长度l为截止频率下波长的1／8，由终端开路传输线阻抗分布表达式：
    Zin(l)=-jZ0tanβ1      (1)
    式中：传播常数β=2π／λ；Z0为特性阻抗。将1=λ／8带入式(1)可得：
    Zin(l)=-jZ0          (2)
    若传输线长度l保持不变，使两条特性阻抗Z0相同长度l相等的终端开路传输线并联于同一点，则其输入阻抗会减半为Z0／2；反之，将两段并联终端开路传输线特性阻抗提高1倍并联于同一点且保持传输线长度l不变，则输入阻抗保持不变为Z0。
    由以上推导可知，用平衡技术修改滤波器并联终端开路传输线不影响各节的输入阻抗。

2 用Richards变换、Kuroda规则设计微带低通滤波器
    由于当频率较高时电感和电容应选的元件值过小，由于寄生参数的影响，如此小的电感和电容已经不能再使用集中参数元件并且工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，滤波器元件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。基于以上原因，设计者先设计出有电感、电容组成的集中参数滤波器，然后运用Richards变换和Kuroda规则转换为合适的微带滤波器结构。
    本文设计的微带低通滤波器指标如下：
    截止频率为f0=3 GHz，通带内波纹为0．5 dB，在2倍截止频率处具有不小于40 dB的带外衰减，输入／输出阻抗为50 Ω。基板厚度H=0．762 mm，基板相对介电常数Er=3．66，磁导率μ=1 H／M，金属电导率为5．88 mS／m，封装高度Hu=1．0+33 mm，金属层厚度T=0．035 mm。
    通过计算选用5阶切比雪夫微带低通滤波器模型进行设计。电路原理及其仿真结果如图1所示。

    由图可以看出串联和并联的微带线长度均为λ／8，而宽度与特性阻抗大小相关。
    由于原理图仿真是在理想条件下进行的，而实际的电路板需要考虑耦合和干扰等因素的影响。ADS版图仿真是采用矩量法进行电磁仿真，对版图的仿真结果更符合电路实际情况。图1所示的滤波器原理图对应的版图结构及仿真结构如图2所示。

3 用平衡技术设计微带低通滤波器
    由于微带传输线的特性阻抗越高，传输线的宽度就越窄。反之，阻抗越低，宽度就越宽。从第2节中的滤波器原理图可看出，TL3和TL5两段并联的微带线，他们的宽度比较宽即特性阻抗偏大，使用平衡技术，在TL3并联点处再并联一根相同长度的终端开路微带线，将两根线的特性阻抗扩大为原来的2倍，并运用ADS软件中的LineCalc工具推算出线的宽度W。对于TL5用同样的方法设计。电路原理及仿真结果如图3所示。

    图3所示的滤波器原理图对应的版图结构及仿真结构如图4所示。

    由图1和图3的原理图仿真结果可以看出，优化前的反射损耗，插入损耗与优化后的数值几乎相同。这与使用平衡技术修改原理图后不改变原有滤波器阻抗的结论相一致。
    由图2和图4的版图仿真结果可以看出，通带内反射损耗由-9．566 dB降低到-15．837 dB，插入损耗由0．679 dB降低到0．322 dB。
    可以看出，运用平衡技术均衡微带低通滤波器微带线宽度后，使通带内反射损耗明显改善，插入损耗明显降低，达到了性能指标。证明了该方法的有效性。

4 结语
    本文提出一种用平衡技术优化微带低通滤波器版图的方法，讨论了平衡技术的设计原理，并以一个5阶切比雪夫微带低通滤波器设计为例，仿真结果表明此滤波器版图仿真性能优于传统方法设计的微带滤波器。该方法简单易行，只需使用ADS软件就能方便修改，并且可以用于带阻滤波器等其他微带结构的滤波器，有效地缩短了设计周期，具有良好的应用前景。