平行耦合微带带通滤波器设计

研 究 生 课 程 论 文

(2015-2016学年第一学期)

射频电路分析与设计

研究生：

说 明

1、课程论文要有题目、作者姓名、摘要、关键词、正文及参考文献。论文题目由研究生结合课程所学内容选定；摘要500字以下，博士生课程论文要求有英文摘要；关键词3～5个；参考文献不少于10篇，并应有一定的外文文献。

2、论文要求自己动手撰写，如发现论文是从网上下载的，或者是抄袭剽窃别人文章的，按作弊处理，本门课程考核成绩计0分。

3、课程论文用A4纸双面打印。字体全部用宋体简体，题目要求用小二号字加粗，标题行要求用小四号字加粗，正文内容要求用小四号字；经学院同意，课程论文可以用英文撰写，字体全部用Times New Roman，题目要求用18号字加粗；标题行要求用14号字加粗，正文内容要求用12号字；行距为2倍行距（方便教师批注）；页边距左为3cm、右为2cm、上为2.5cm、下为

2.5cm；其它格式请参照学位论文要求。

4、学位类别按博士、硕士、工程硕士、MBA、MPA等填写。

5、篇幅、内容等由任课教师提出具体要求。

基于ADS设计平行耦合微带线带通滤波器

摘要：介绍了平行耦合微带线带通滤波器设计的基本原理，使用安捷伦公司的ADS电磁仿真软件具体设计了一个通带范围为4.8GHz至5.2GHz的一个带通滤波器。该带通滤波器的通带内的插入损耗低于3dB,相对相速度是真空中电磁波传播速度的60%，2倍的归一化频率处的衰减低于50dB,输入输出阻抗均设置成了50，设计达到了给定的指标要求。

关键词：ADS 带通滤波器 平行耦合微带线

一、平行耦合微带线带通滤波器的基本原理：

平行耦合线微带带通滤波器是由几节半波长谐振器组成，结构简单，易于

实现，可以印制在很薄的介质基板上。平行耦合线微带带通滤波器的结构如图1 所示[1] , 它是由若干带通耦合线节相连组成, 左右对称, 每一个耦合线节长度约为1/4 波长(对中心频率而言，电长度约为90deg), 其等效电路如图1 下方所示。由等效电路看出,它相当于一个导纳倒置转换器和接在两边的两段电角度为θ、特性导纳为Y0 的传输线段的组合。

图1 平行耦合微带带通滤波器及其等效电路

通过查阅相关的文献[2-4]，这里将直接给出平行耦合微带带通滤波器各

个参数的计算公式，通过上述公式可以很方便的计算出各段平行耦合微带线的奇偶模阻抗，然后利用ADS中附带的各种工具，可以很方便地算出各个单元的具体尺寸。

二、设计实例：

1.设计要求：

Design a band pass filter satisfies the following：

1.lower cutoff frequency 4.8 GHz, upper cutoff frequency 5.2 GHz;

2.Insertion loss in the pass-band is smaller than 3 dB;

3.Loss is greater than 50 dB when the normalized frequencies are larger than 2;

4.The relative phase velocity is 60% of the velocity in vacuum.

5.The input and output impedance are both 50 Ohm.

Use schematic tool to simulate and realize it with the layout tool (Momentum)

in ADS. Give both the schematic and layout of the final filter amplifier circuit, detailed simulation procedure, and the simulation results obtained with both the schematic and layout circuit;

2.滤波器的阶数的确定：

依题可得：

f1=4.8GHz, f2=5.2GHz, Z0=50Ω

则：中心频率：f0= (f1+f2)/2=5GHz

相对带宽：BW = (f2-f1)/f0=0.08

在f s2 =4.6 GHz 和f s1 =5.4 GHz 上衰减不小于50 dB(αs =50 dB), 通带内衰减αp 小于3 dB , 输入、输出的特征阻抗均Z0 =50 , 介质基片的εr =2.78（通过其相速度是真空中光速的60%计算得出的） ,其厚度h =1.6 mm , 导体层厚度35um 。

1fs2fs15.44.6===2 kf2f15.24.8

110^51317 k110^0.31

1cosh1k17 n1cosh1k

故我们在这里选取滤波器的阶数为7阶，这样更有利于带外抑制。

3.平行耦合线尺寸的计算：

通过查表如图二所示，可以得到低通原型中g0到g8的值，进一步通过上

述的公式，可以计算出每一段平行耦合微带线的奇偶模特征阻抗。所有结果如

1.设计要求：

Design a band pass filter satisfies the following：

1.lower cutoff frequency 4.8 GHz, upper cutoff frequency 5.2 GHz; 2.Insertion loss in the pass-band is smaller than 3 dB;

3.Loss is greater than 50 dB when the normalized frequencies are larger than 2;

4.The relative phase velocity is 60% of the velocity in vacuum. 5.The input and output impedance are both 50 Ohm.

Use schematic tool to simulate and realize it with the layout tool (Momentum) in ADS. Give both the schematic and layout of the final filter amplifier circuit, detailed simulation procedure, and the simulation results obtained with both the schematic and layout circuit; 2.滤波器的阶数的确定：

依题可得：

f1=4.8GHz, f2=5.2GHz, Z0=50Ω 则：中心频率：f0= (f1+f2)/2=5GHz

相对带宽：BW = (f2-f1)/f0=0.08

在f s2 =4.6 GHz 和f s1 =5.4 GHz 上衰减不小于50 dB(αs =50 dB), 通带内衰减αp 小于3 dB , 输入、输出的特征阻抗均Z0 =50 , 介质基片的εr =2.78（通过其相速度是真空中光速的60%计算得出的） ,其厚度h =1.6 mm , 导体层厚度35um 。

1fs2fs15.44.6

===2 kf2f15.24.8

110^51

317 k110^0.311cosh1

k17 n

1cosh1

k

故我们在这里选取滤波器的阶数为7阶，这样更有利于带外抑制。 3.平行耦合线尺寸的计算：

通过查表如图二所示，可以得到低通原型中g0到g8的值，进一步通过上述的公式，可以计算出每一段平行耦合微带线的奇偶模特征阻抗。所有结果如

表一所示。

图二 3分贝纹波的切比雪夫低通滤波器的阻带衰减特性

表1. 耦合线参数

N 0 1 2 3 4 5 6 7 8

gn 1 3.5812 0.7723 4.6386 0.8039 4.6386 0.7723 3.5812 1

Z0 50 50

Z0e 61.2322 54.1001 53.5382 53.4636 53.5382 54.1001 61.2322

Z0O 42.3378 46.4805 46.9022 46.9594 46.9022 46.4805 42.3378

W(mm) 3.1476 3.87939 4.15426 4.16616 4.16770 4.16616 4.15426 3.87939 3.1476

S(mm) 0.98515 2.93351 3.32856 3.38877 3.32856 2.93351 0.98515

L(mm) 9.8783 9.9579 9.87337 9.87268 9.87273 9.87268 9.87337 9.9579 9.8783

4.原理图仿真与优化：

按照以上计算出来的初始数据在ADS中画出了原理图，并测试了结果。分别如图三与四所示。初次仿真的结果达不到设计的要求，故在此基础上对原理图进行了优化，优化的原理图和优化后的结果分别如图五和六所示。

图三 未优化的原理图

图四 未优化时得到的S21与S11

图五 优化的电路原理图

图六 原理图优化后的S21与S11

当我同时调节8个平行耦合微带线的长度时，我发现整个频带会整体搬移，于是我对耦合微带线的长度进行了优化，得到了满足设计要求的设计。 5.版图的仿真和优化：

ADS中有直接将原理图转化为版图的工具，直接利用这个工具，将上面设计的原理图转化为版图，如图七、图八所示。

图七 滤波器版图

图八 基板的设置

版图生成完毕后，对版图进行了仿真。仿真的结果如图九所示。仿真结果与原理图仿真的结果对不上，同时也没有达到设计的要求。

图九 版图仿真结果

将版图文件保存为symbol文件，导入原理图中进行优化，结果得到了一定的改善，仿真结果如图十所示。

图十 优化后的版图

三．结论：

理论数据与实际得出的结果会存在一定的偏差，上述计算出来的理论数据，设计出来的滤波器并没有达到设计指标。后来通过改变微带耦合线的电长度，优化出了相应的结果，这实际上是对开路线末端电容延长效应进行了验证。

参考文献：

[ 1] 钟蔚杰, 杨景曙.微带线带通滤波器的ADS 辅助设计[ J] .现代雷达, 2008, 30(3):83-85 .

[ 2] 黄玉兰.ADS 射频电路设计基础与典型应用[ M] .北京:人民邮电出版社,

2010 .

[ 3] 郑冬, 王志刚.基于ADS 的平行耦合线带通滤波器的设计[ J] .电子产品世界, 2010 , 10 :22-24.

[ 4] 谢涛, 何怡刚.基于改进BP 算法的微带射频带通滤波器设计[ J] .仪器仪表学报, 2009 , 30(6):1317-1322 .

研 究 生 课 程 论 文

(2015-2016学年第一学期)

射频电路分析与设计

研究生：

说 明

1、课程论文要有题目、作者姓名、摘要、关键词、正文及参考文献。论文题目由研究生结合课程所学内容选定；摘要500字以下，博士生课程论文要求有英文摘要；关键词3～5个；参考文献不少于10篇，并应有一定的外文文献。

2、论文要求自己动手撰写，如发现论文是从网上下载的，或者是抄袭剽窃别人文章的，按作弊处理，本门课程考核成绩计0分。

3、课程论文用A4纸双面打印。字体全部用宋体简体，题目要求用小二号字加粗，标题行要求用小四号字加粗，正文内容要求用小四号字；经学院同意，课程论文可以用英文撰写，字体全部用Times New Roman，题目要求用18号字加粗；标题行要求用14号字加粗，正文内容要求用12号字；行距为2倍行距（方便教师批注）；页边距左为3cm、右为2cm、上为2.5cm、下为

2.5cm；其它格式请参照学位论文要求。

4、学位类别按博士、硕士、工程硕士、MBA、MPA等填写。

5、篇幅、内容等由任课教师提出具体要求。

基于ADS设计平行耦合微带线带通滤波器

摘要：介绍了平行耦合微带线带通滤波器设计的基本原理，使用安捷伦公司的ADS电磁仿真软件具体设计了一个通带范围为4.8GHz至5.2GHz的一个带通滤波器。该带通滤波器的通带内的插入损耗低于3dB,相对相速度是真空中电磁波传播速度的60%，2倍的归一化频率处的衰减低于50dB,输入输出阻抗均设置成了50，设计达到了给定的指标要求。

关键词：ADS 带通滤波器 平行耦合微带线

一、平行耦合微带线带通滤波器的基本原理：

平行耦合线微带带通滤波器是由几节半波长谐振器组成，结构简单，易于

实现，可以印制在很薄的介质基板上。平行耦合线微带带通滤波器的结构如图1 所示[1] , 它是由若干带通耦合线节相连组成, 左右对称, 每一个耦合线节长度约为1/4 波长(对中心频率而言，电长度约为90deg), 其等效电路如图1 下方所示。由等效电路看出,它相当于一个导纳倒置转换器和接在两边的两段电角度为θ、特性导纳为Y0 的传输线段的组合。

图1 平行耦合微带带通滤波器及其等效电路

通过查阅相关的文献[2-4]，这里将直接给出平行耦合微带带通滤波器各

个参数的计算公式，通过上述公式可以很方便的计算出各段平行耦合微带线的奇偶模阻抗，然后利用ADS中附带的各种工具，可以很方便地算出各个单元的具体尺寸。

二、设计实例：

1.设计要求：

Design a band pass filter satisfies the following：

1.lower cutoff frequency 4.8 GHz, upper cutoff frequency 5.2 GHz;

2.Insertion loss in the pass-band is smaller than 3 dB;

3.Loss is greater than 50 dB when the normalized frequencies are larger than 2;

4.The relative phase velocity is 60% of the velocity in vacuum.

5.The input and output impedance are both 50 Ohm.

Use schematic tool to simulate and realize it with the layout tool (Momentum)

in ADS. Give both the schematic and layout of the final filter amplifier circuit, detailed simulation procedure, and the simulation results obtained with both the schematic and layout circuit;

2.滤波器的阶数的确定：

依题可得：

f1=4.8GHz, f2=5.2GHz, Z0=50Ω

则：中心频率：f0= (f1+f2)/2=5GHz

相对带宽：BW = (f2-f1)/f0=0.08

在f s2 =4.6 GHz 和f s1 =5.4 GHz 上衰减不小于50 dB(αs =50 dB), 通带内衰减αp 小于3 dB , 输入、输出的特征阻抗均Z0 =50 , 介质基片的εr =2.78（通过其相速度是真空中光速的60%计算得出的） ,其厚度h =1.6 mm , 导体层厚度35um 。

1fs2fs15.44.6===2 kf2f15.24.8

110^51317 k110^0.31

1cosh1k17 n1cosh1k

故我们在这里选取滤波器的阶数为7阶，这样更有利于带外抑制。

3.平行耦合线尺寸的计算：

通过查表如图二所示，可以得到低通原型中g0到g8的值，进一步通过上

述的公式，可以计算出每一段平行耦合微带线的奇偶模特征阻抗。所有结果如

1.设计要求：

Design a band pass filter satisfies the following：

1.lower cutoff frequency 4.8 GHz, upper cutoff frequency 5.2 GHz; 2.Insertion loss in the pass-band is smaller than 3 dB;

3.Loss is greater than 50 dB when the normalized frequencies are larger than 2;

4.The relative phase velocity is 60% of the velocity in vacuum. 5.The input and output impedance are both 50 Ohm.

Use schematic tool to simulate and realize it with the layout tool (Momentum) in ADS. Give both the schematic and layout of the final filter amplifier circuit, detailed simulation procedure, and the simulation results obtained with both the schematic and layout circuit; 2.滤波器的阶数的确定：

依题可得：

f1=4.8GHz, f2=5.2GHz, Z0=50Ω 则：中心频率：f0= (f1+f2)/2=5GHz

相对带宽：BW = (f2-f1)/f0=0.08

在f s2 =4.6 GHz 和f s1 =5.4 GHz 上衰减不小于50 dB(αs =50 dB), 通带内衰减αp 小于3 dB , 输入、输出的特征阻抗均Z0 =50 , 介质基片的εr =2.78（通过其相速度是真空中光速的60%计算得出的） ,其厚度h =1.6 mm , 导体层厚度35um 。

1fs2fs15.44.6

===2 kf2f15.24.8

110^51

317 k110^0.311cosh1

k17 n

1cosh1

k

故我们在这里选取滤波器的阶数为7阶，这样更有利于带外抑制。 3.平行耦合线尺寸的计算：

通过查表如图二所示，可以得到低通原型中g0到g8的值，进一步通过上述的公式，可以计算出每一段平行耦合微带线的奇偶模特征阻抗。所有结果如

表一所示。

图二 3分贝纹波的切比雪夫低通滤波器的阻带衰减特性

表1. 耦合线参数

N 0 1 2 3 4 5 6 7 8

gn 1 3.5812 0.7723 4.6386 0.8039 4.6386 0.7723 3.5812 1

Z0 50 50

Z0e 61.2322 54.1001 53.5382 53.4636 53.5382 54.1001 61.2322

Z0O 42.3378 46.4805 46.9022 46.9594 46.9022 46.4805 42.3378

W(mm) 3.1476 3.87939 4.15426 4.16616 4.16770 4.16616 4.15426 3.87939 3.1476

S(mm) 0.98515 2.93351 3.32856 3.38877 3.32856 2.93351 0.98515

L(mm) 9.8783 9.9579 9.87337 9.87268 9.87273 9.87268 9.87337 9.9579 9.8783

4.原理图仿真与优化：

按照以上计算出来的初始数据在ADS中画出了原理图，并测试了结果。分别如图三与四所示。初次仿真的结果达不到设计的要求，故在此基础上对原理图进行了优化，优化的原理图和优化后的结果分别如图五和六所示。

图三 未优化的原理图

图四 未优化时得到的S21与S11

图五 优化的电路原理图

图六 原理图优化后的S21与S11

当我同时调节8个平行耦合微带线的长度时，我发现整个频带会整体搬移，于是我对耦合微带线的长度进行了优化，得到了满足设计要求的设计。 5.版图的仿真和优化：

ADS中有直接将原理图转化为版图的工具，直接利用这个工具，将上面设计的原理图转化为版图，如图七、图八所示。

图七 滤波器版图

图八 基板的设置

版图生成完毕后，对版图进行了仿真。仿真的结果如图九所示。仿真结果与原理图仿真的结果对不上，同时也没有达到设计的要求。

图九 版图仿真结果

将版图文件保存为symbol文件，导入原理图中进行优化，结果得到了一定的改善，仿真结果如图十所示。

图十 优化后的版图

三．结论：

理论数据与实际得出的结果会存在一定的偏差，上述计算出来的理论数据，设计出来的滤波器并没有达到设计指标。后来通过改变微带耦合线的电长度，优化出了相应的结果，这实际上是对开路线末端电容延长效应进行了验证。

参考文献：

[ 1] 钟蔚杰, 杨景曙.微带线带通滤波器的ADS 辅助设计[ J] .现代雷达, 2008, 30(3):83-85 .

[ 2] 黄玉兰.ADS 射频电路设计基础与典型应用[ M] .北京:人民邮电出版社,

2010 .

[ 3] 郑冬, 王志刚.基于ADS 的平行耦合线带通滤波器的设计[ J] .电子产品世界, 2010 , 10 :22-24.

[ 4] 谢涛, 何怡刚.基于改进BP 算法的微带射频带通滤波器设计[ J] .仪器仪表学报, 2009 , 30(6):1317-1322 .