基于ADS 的椭圆函数微带低通滤波器的设计
董利芳
摘 要：采用椭圆函数型低通原型设计低通滤波器，在微波平面电路的设计中有着良好的应用前景。本文设计的滤波器是在传统的高低阻抗线结构滤波器基础上实现的。用ADS 对这种新型滤波器仿真可知：在特性方面，新型滤波器比传统滤波器具有更陡峭的过渡带和更宽的频带等优点；在结构方面，新型滤波器电路相对传统滤波器可以减少基板面积。 关键字：椭圆函数；频率选择性；衰减极点； ADS
1.引言
微带线型滤波器在RF或微波领域中起着重要的作用，它是一种被广泛研究的微波滤波器类型。该结构形式的滤波器品种繁多，性能各异,是现代电子系统中的关键器件之一。微带电路系统中，常常需要抑止高频分量的低通滤波器。并且随着滤波器在微波领域的广泛应用，已经迫切需要大量的高性能、小尺寸、重量轻、低成本的滤波器。本文设计了椭圆函数低通滤波器，结果表明，在一定阶数下，该滤波器与传统的微带滤波器相化，具有更紧凑的电路结构、更陡峭的过渡带和更宽的阻带。
在对滤波器的设计中，要考虑通带纹波、阻带衰减等许多特殊因素，这就需要大量的理论计算，给设计工作带来较大的困难。Agilent公司的EEsof/ADS软件是一款功能强大的射频仿真设计软件，它极大地提高了射频电路设计的准确性和效率，在射频和微波设计中得到了广泛的应用。本文使用Agilent公司的EEsof/ADS软件对椭圆函数滤波器进行了设计，获得了较好的仿真效果。
2.低通滤波器的设计原理
巴特沃斯型、 切比雪夫型和椭圆函数型低通滤波器的电路原理图和衰减特性分别如图
1、2、3 所示：
图1. a .n=7巴特沃斯型滤波器电路原型 b.巴特沃斯滤波器的衰减特性
图2. a .n=7切比雪夫滤波器原型电路 b.切比雪夫滤波器的衰减特性
图3. a .n=7椭圆函数滤波器原型电路 b. 椭圆函数滤波器的衰减特性
从图中可以看出在相同的阶数下切比雪夫滤波器比巴特沃斯滤波器的选择性要好得多， 而椭圆函数滤波器比切比雪夫滤波器要好得多，带外抑制更加陡峭。
椭圆函数低通原型滤波器的通带和阻带都具有切比雪夫低通原型滤波器的特点，它的阻带衰减极点不全在无穷远处，因而这种滤波器的频率选择性很好。通常把ΩS =
通带的带边频率，ωs 是阻带带边频率）看作选择性因数，它的倒数k =ωs （ωc 是ωc s 是计算这种滤
波器参数的椭圆函数的模数，这种椭圆函数的低通滤波器的阻带最小衰减可近似表示为 L Ar =[lg(10LAr −1) −n lg q (k ) −1. 2]dB
k 2k k k q (k ) =[1+2(2+15(2+150(2+⋅⋅⋅⋅⋅⋅]4 16444
本文所设计的椭圆函数低通滤波器的原理图如下：
图4. 低通滤波器的电路原理图
串联电感用高阻抗来实现，并联电容用低阻抗来实现，并联支路的串联谐振电路用短截线来实现。三个并联在主传输线上的串联谐振分支分别在各自的谐振频率上谐振，从而形成了三个有限频率处的无限衰减极点[1]。
3. 设计实例
本文所设计的滤波器的技术指标如下：
通带带边频率：1GHz
阻带带边频率：1.2GHz
阻带抑制：40dB
插损：0.8dB
端接条件：两端与 50Ω微带线相接
为了能最终实现设计目标，在设计的时候留出一定的余量。同时为了省去繁琐的公式计算，可以利用ADS 的DesignGuide 中的Filter 来计算椭圆函数滤波器的原型值，如图5所示，图6为利用Filter 计算出的元件值[2]。
图5.Filter控件 图6. 椭圆函数滤波器原型值
本文采用的介质基板的介电常数4.6，厚度1mm ，导体厚度35um 。由ADS 计算得50Ω微带线宽为1.84mm 。电感用高阻抗线实现，电容用低阻抗线实现。为了使对集中参数的接近程度更好一些，原则上高阻段特性阻抗应尽可能高，低阻段应尽可能低，但兼顾到实际加工和结构上的可能性，最终，高阻段特性阻抗取95Ω，低阻段特性阻抗取15Ω。最终在ADS 中建立的原理图如图7所示，并利用ADS 的自动优化功能对设计目标进行优化。
图7 椭圆函数滤波器原理图
Momentum 是ADS 中的三维平面电磁场仿真器；使用Momentum 可以计算微带线、带状线、共面波导等的电磁特性，天线的辐射特性，以及电路板上的寄生、耦合效应。Momentum 采用的计算方法为矩量法，在仿真时能产生准确地EM 模型，并考虑耦合和寄生效应，仿真结果为S 参数或产生远区辐射场形以及表面电流的分布图形。为了得到更准确的仿真结果，把原理图导入Momentum 中，如图8所示。得到Momentum 的仿真结果如图9所示。
图8 原理图导入Momentum 图 图9 Momentum仿真结果
图10滤波器实物照片 图11滤波器测试结果
图10为该滤波器的测试结果，由测试结果可以看出，该滤波器的实际测试指标与仿真结果基本一致，该滤波器结构比普通的高低阻抗线结构的滤波器面积要小，节省了成本，并且有很宽的阻带抑制。
4. 结论
本文重点讨论了椭圆函数低通滤波器。利用了ADS 的优化功能，并在Momentum 中进行仿真，从仿真结果中可以看出，该低通滤波器带内差损较小，具有较好的带外抑制，有很高的陡峭度，同时可以做到很宽的阻带抑制。利用ADS 设计滤波器，节省了时间，提高了工作效率，完全可以满足工程设计的要求。
参考文献
[1]H Jiasheng, J LANCASTER. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. New York: John Wiley & Sons Inc. 2001
[2]Advanced Design System 2005 user’s guide,2005 , Agilent Technologies 作者简介：董利芳，女，电子科技大学电工学院电磁场与微波技术专业硕士研究生 联系方式: 成都市武侯区武科东三路9-2号 邮编610045
E_mail: [email protected]
电话：[1**********]
基于ADS 的椭圆函数微带低通滤波器的设计
董利芳
摘 要：采用椭圆函数型低通原型设计低通滤波器，在微波平面电路的设计中有着良好的应用前景。本文设计的滤波器是在传统的高低阻抗线结构滤波器基础上实现的。用ADS 对这种新型滤波器仿真可知：在特性方面，新型滤波器比传统滤波器具有更陡峭的过渡带和更宽的频带等优点；在结构方面，新型滤波器电路相对传统滤波器可以减少基板面积。 关键字：椭圆函数；频率选择性；衰减极点； ADS
1.引言
微带线型滤波器在RF或微波领域中起着重要的作用，它是一种被广泛研究的微波滤波器类型。该结构形式的滤波器品种繁多，性能各异,是现代电子系统中的关键器件之一。微带电路系统中，常常需要抑止高频分量的低通滤波器。并且随着滤波器在微波领域的广泛应用，已经迫切需要大量的高性能、小尺寸、重量轻、低成本的滤波器。本文设计了椭圆函数低通滤波器，结果表明，在一定阶数下，该滤波器与传统的微带滤波器相化，具有更紧凑的电路结构、更陡峭的过渡带和更宽的阻带。
在对滤波器的设计中，要考虑通带纹波、阻带衰减等许多特殊因素，这就需要大量的理论计算，给设计工作带来较大的困难。Agilent公司的EEsof/ADS软件是一款功能强大的射频仿真设计软件，它极大地提高了射频电路设计的准确性和效率，在射频和微波设计中得到了广泛的应用。本文使用Agilent公司的EEsof/ADS软件对椭圆函数滤波器进行了设计，获得了较好的仿真效果。
2.低通滤波器的设计原理
巴特沃斯型、 切比雪夫型和椭圆函数型低通滤波器的电路原理图和衰减特性分别如图
1、2、3 所示：
图1. a .n=7巴特沃斯型滤波器电路原型 b.巴特沃斯滤波器的衰减特性
图2. a .n=7切比雪夫滤波器原型电路 b.切比雪夫滤波器的衰减特性
图3. a .n=7椭圆函数滤波器原型电路 b. 椭圆函数滤波器的衰减特性
从图中可以看出在相同的阶数下切比雪夫滤波器比巴特沃斯滤波器的选择性要好得多， 而椭圆函数滤波器比切比雪夫滤波器要好得多，带外抑制更加陡峭。
椭圆函数低通原型滤波器的通带和阻带都具有切比雪夫低通原型滤波器的特点，它的阻带衰减极点不全在无穷远处，因而这种滤波器的频率选择性很好。通常把ΩS =
通带的带边频率，ωs 是阻带带边频率）看作选择性因数，它的倒数k =ωs （ωc 是ωc s 是计算这种滤
波器参数的椭圆函数的模数，这种椭圆函数的低通滤波器的阻带最小衰减可近似表示为 L Ar =[lg(10LAr −1) −n lg q (k ) −1. 2]dB
k 2k k k q (k ) =[1+2(2+15(2+150(2+⋅⋅⋅⋅⋅⋅]4 16444
本文所设计的椭圆函数低通滤波器的原理图如下：
图4. 低通滤波器的电路原理图
串联电感用高阻抗来实现，并联电容用低阻抗来实现，并联支路的串联谐振电路用短截线来实现。三个并联在主传输线上的串联谐振分支分别在各自的谐振频率上谐振，从而形成了三个有限频率处的无限衰减极点[1]。
3. 设计实例
本文所设计的滤波器的技术指标如下：
通带带边频率：1GHz
阻带带边频率：1.2GHz
阻带抑制：40dB
插损：0.8dB
端接条件：两端与 50Ω微带线相接
为了能最终实现设计目标，在设计的时候留出一定的余量。同时为了省去繁琐的公式计算，可以利用ADS 的DesignGuide 中的Filter 来计算椭圆函数滤波器的原型值，如图5所示，图6为利用Filter 计算出的元件值[2]。
图5.Filter控件 图6. 椭圆函数滤波器原型值
本文采用的介质基板的介电常数4.6，厚度1mm ，导体厚度35um 。由ADS 计算得50Ω微带线宽为1.84mm 。电感用高阻抗线实现，电容用低阻抗线实现。为了使对集中参数的接近程度更好一些，原则上高阻段特性阻抗应尽可能高，低阻段应尽可能低，但兼顾到实际加工和结构上的可能性，最终，高阻段特性阻抗取95Ω，低阻段特性阻抗取15Ω。最终在ADS 中建立的原理图如图7所示，并利用ADS 的自动优化功能对设计目标进行优化。
图7 椭圆函数滤波器原理图
Momentum 是ADS 中的三维平面电磁场仿真器；使用Momentum 可以计算微带线、带状线、共面波导等的电磁特性，天线的辐射特性，以及电路板上的寄生、耦合效应。Momentum 采用的计算方法为矩量法，在仿真时能产生准确地EM 模型，并考虑耦合和寄生效应，仿真结果为S 参数或产生远区辐射场形以及表面电流的分布图形。为了得到更准确的仿真结果，把原理图导入Momentum 中，如图8所示。得到Momentum 的仿真结果如图9所示。
图8 原理图导入Momentum 图 图9 Momentum仿真结果
图10滤波器实物照片 图11滤波器测试结果
图10为该滤波器的测试结果，由测试结果可以看出，该滤波器的实际测试指标与仿真结果基本一致，该滤波器结构比普通的高低阻抗线结构的滤波器面积要小，节省了成本，并且有很宽的阻带抑制。
4. 结论
本文重点讨论了椭圆函数低通滤波器。利用了ADS 的优化功能，并在Momentum 中进行仿真，从仿真结果中可以看出，该低通滤波器带内差损较小，具有较好的带外抑制，有很高的陡峭度，同时可以做到很宽的阻带抑制。利用ADS 设计滤波器，节省了时间，提高了工作效率，完全可以满足工程设计的要求。
参考文献
[1]H Jiasheng, J LANCASTER. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. New York: John Wiley & Sons Inc. 2001
[2]Advanced Design System 2005 user’s guide,2005 , Agilent Technologies 作者简介：董利芳，女，电子科技大学电工学院电磁场与微波技术专业硕士研究生 联系方式: 成都市武侯区武科东三路9-2号 邮编610045
E_mail: [email protected]
电话：[1**********]