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文章編號(hào)：1009-8119（2005）12-0036-02 基于SERENADE軟件的微波帶通濾波器的設(shè)計(jì)和仿真 張 磊 夏永祥 （北京理工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100081） 摘 要 論述了應(yīng)用Ansoft 公司的Serenade 8.7 微波仿真軟件設(shè)計(jì)微波帶通濾波器的方法，并給出了優(yōu)化仿真結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用此軟件的優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)出的濾波器具有良好的濾波性能，而且無需調(diào)試，一致性好，適用于工程設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 帶通濾波器，Ansoft, 耦合微帶線 Design and Simulation of Microwave Band-pass Filter Based on SERENADE Zhang Lei Xia Yongxiang （School of Information and Science，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081） Abstract In this paper，the method of design and simulation of microwave band-pass filter based on Serenade8.7 was introduced，and one specific design and simulation is given too. Through the result of the test, we can see that the filter designed based on Serenade8.7 has very good performance and consistency. Keywords Microwave filter，Ansoft， Microstrip line 1 引 言 　　在設(shè)計(jì)模擬電路時(shí)，對(duì)高頻信號(hào)在特定頻率或頻段內(nèi)的頻率分量做加重或衰減處理是個(gè)十分重要的任務(wù)，因此，微波帶通濾波器便成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的一種關(guān)鍵部件，它的好壞直接決定系統(tǒng)的整體性能。微帶平行耦合帶通濾波器是工程上較為常見的一種微波帶通濾波器，它是根據(jù)反對(duì)稱原型濾波器設(shè)計(jì)的，這樣構(gòu)成的平行耦合濾波器是關(guān)于其中心對(duì)稱的。它由N節(jié)平行耦合微帶線組成，兩個(gè)微帶線之間通過平行耦合線進(jìn)行耦合，這些耦合線的兩端開路，長(zhǎng)度在中心頻率上為半個(gè)波長(zhǎng)，這種濾波器可看作由N+1個(gè)平行耦合節(jié)組合而成，這些耦合節(jié)在中心頻率上是1/4波長(zhǎng)。它的輸入、輸出由微帶T型接頭與之相連接，輸入、輸出阻抗為50歐姆。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)微波部件和系統(tǒng)的集成化等優(yōu)點(diǎn)。 傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)計(jì)算方法比較復(fù)雜，而且工作量十分大，而由于現(xiàn)在軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)計(jì)手段也變得越來越多，工作效率也越來越高。本設(shè)計(jì)就是利用ANSOFT公司的SERENADE軟件來進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。 2 設(shè)計(jì)步驟 　　本文所述的微波帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法主要包括兩個(gè)部分： 1．將標(biāo)準(zhǔn)切比雪夫低通濾波器變換為符合要求的特定帶通濾波器。 ①首先建立歸一化低通切比雪夫?yàn)V波器的結(jié)構(gòu)； ②利用頻率變換將其低通頻率特性變換為帶通濾波器頻率特性。 2．根據(jù)將集總參數(shù)元件變?yōu)榉植紖?shù)元件的Richards變換和Kuroda規(guī)則用分布參數(shù)元件實(shí)現(xiàn)這些濾波器。 3 設(shè)計(jì)實(shí)例 濾波器設(shè)計(jì)要求如下。 信號(hào)帶寬：1638～1658MHz。 插入損耗：小于1.5dB。 帶內(nèi)波動(dòng)：小于±0.2dB。 帶外抑制：頻帶兩端（±f0×15％，f0為中心頻率）處帶外抑制到-50dBc,頻帶外（±f0×30％，f0為中心頻率）抑制到－60dBc。 濾波器設(shè)計(jì)過程為：工作頻率超過500MHz的濾波器是難以用分立元件實(shí)現(xiàn)的，這是由于工作波長(zhǎng)與濾波器元件的物理尺寸相近，從而造成了多方面的損耗并使電路性能嚴(yán)重惡化。所以，實(shí)際濾波器的實(shí)現(xiàn)必須將一些工具（Richards變換、單位元件和Kuroda規(guī)則）的集總參數(shù)元件變換為分布參數(shù)元件。 　　下面用耦合微帶線來實(shí)現(xiàn)此濾波器： 1．選擇標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)。根據(jù)所要設(shè)計(jì)濾波器的性能指標(biāo)，決定采用切比雪夫?yàn)V波器設(shè)計(jì)方法。查“給定波紋及插入損耗時(shí)選定切比雪夫?yàn)V波器節(jié)數(shù)的列表圖”，可知濾波器可用三節(jié)來實(shí)現(xiàn)。 查表可知0.2dB波紋的標(biāo)準(zhǔn)三節(jié)切比雪夫?yàn)V波器參數(shù)為 g0=g4==1.0000，g1=g3=1.2275，g2=1.1525。 2．確定歸一化帶寬 　　BW＝ = =0.012136 3．根據(jù)帶寬指標(biāo)計(jì)算下列參數(shù) Z0J01= = =0.12462 Z0J12= = =0.016027 Z0J23== =0.016027 Z0J34= = =0.12462 這些參數(shù)可以用于計(jì)算傳輸線的奇模，偶模特性阻抗： Z0|i，i+1 =Z0(1-Z0Ji,i+1+(Z0Ji,i+1)2) Ze|i，i+1 =Z0(1+Z0Ji,i+1+(Z0Ji,i+1)2) 可得： Z0|0，1 =Z0(1-Z0J0，1+(Z0J0，1)2) =50（1－0.12462＋0.124622）＝44.54551 Ze|0，1 =Z0(1+Z0J0，1+(Z0J0，1)2) =50（1＋0.12462＋0.124622）＝57.00751 Z0|1，2=Z0(1-Z0J1，2+(Z0J1，2)2) =50（1-0.016027+0.0160272）=49.2115 Ze|1，2 =Z0(1+Z0J1，2+(Z0J1，2)2) =50（1+0.016027+0.0160272）=50.8142 Z0|2，3 =Z0(1-Z0J2，3+(Z0J2，3)2) =50（1-0.016027+0.0160272）=49.2115 Ze|2，3 =Z0(1+Z0J2，3+(Z0J2，3)2) =50（1+0.016027+0.0160272）=50.8142 Z0|3，4 =Z0(1-Z0J3，4+(Z0J3，4)2) =50（1－0.12462＋0.124622）=44.54551 Ze|3，4 =Z0(1+Z0J3，4+(Z0J3，4)2) =50（1＋0.12462＋0.124622）=57.00751 由這些參數(shù)利用Serenade的Tools工具中的Transmission Lines 可求出耦合微帶線的W，S，P。考慮到優(yōu)化時(shí)，中心頻率會(huì)向低頻方向偏移，所以，此處把中心頻率設(shè)為1.668GHz，比實(shí)際的中心頻率1.648GHz稍大。 分別求出各段的W，S，P： W1=2.666649mm W2=2.76869mm W3=2.76869mm W4=2.66649mm S1=0.94787mm S2 =5.23893mm S3=5.23893mm S4 =0.94787mm P1=30.7162mm P2=30.5697mm P3=30.5697mm P4=30.7162mm 濾波器電路如圖1所示： 圖1濾波器電路圖 微波濾波器仿真結(jié)果如圖2所示： 　　 　　 　　 圖2微波濾波器仿真結(jié)果 由圖2可知，只帶外抑制一項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，下面對(duì)其它指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化電路如圖3所示： 　　 圖3微波濾波器優(yōu)化電路圖 優(yōu)化后的電路仿真結(jié)果如圖4所示： 　　 圖4 優(yōu)化后的仿真結(jié)果 放大后的MS21和MS11如圖5所示： 圖5放大后的MS21和MS11 　　由圖5可知，在1.64GHz到1.66GHz之間，MS11小于-15dB 滿足要求。但MS21 為-3dB，小于要求的-0.2dB。 　　 4 結(jié)束語 微波濾波器在微波中繼通訊、衛(wèi)星通訊、雷達(dá)技術(shù)、電子對(duì)抗及微波測(cè)量?jī)x器中都有廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)微波濾波器的傳統(tǒng)方法大多是靠查圖表和曲線來完成，不但工作量大，而且設(shè)計(jì)精度不高。用 Ansoft 公司的Serenade 8.7 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了設(shè)計(jì)周期，又提高了設(shè)計(jì)精度。本文結(jié)合實(shí)際的工程要求，利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，制作了中心頻率為1.648GHz的平行耦合帶通濾波器，通過調(diào)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 參考文獻(xiàn) 1 Reinhold Ludwing，Pavel Bretchko 著，王子宇等譯．射頻電路設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用．電子工業(yè)出版社，2002：5 2 顧墨琳著．微波固態(tài)電路設(shè)計(jì)．機(jī)械電子工業(yè)部第十四研究所，1989：1