应课程要求,需要设计中心频率为2.45Ghz,板材介电常数为4.4,介质板厚度为1mm的带通滤波器。要求带宽不限,软件不限,回波损耗>10dB,IL<2dB。

为了提高设计的效率,利用ADS自带的无源电路设计功能来进行初步的设计。先设置一个大概的设计指标。

并得到对应的子电路系统,以及S11和S21参数。

可以发现自动设计出来的滤波器离我们预期的还有很大的差距。对于平行耦合线型带通滤波器设计而言,有一个特别坑的点在于必须考虑到其两个端口需要和50ohm的传输线进行匹配,同时,在不同宽度的微带线进行相连时,如果宽度的变化太大,则其不均匀性不可忽略。对于工作在2.45Ghz左右的微带线,利用ADS自带的50ohm传输线自动优化器可以得到以下的结果:

可见50ohm阻抗传输线的线宽在75mil左右,而自动设计得到的线宽与之相差较大。实际仿真过程中会发现此处的不均匀性已经严重的影响到了性能,所以在后续的优化的过程中需要对两段线的线宽进行限制。

在优化的过程中需要注意的一些地方:

①选择了随机优化的算法,对于优化参数的变化范围需要控制好,范围大了则精度不够,范围小了则可能舍弃更优解;

②活用Tuning,由于实际的工业生产中必然存在着尺寸上误差,而微波电路又是典型的利用结构实现功能,故在对优化参数进行取值的时候要注意,若其值进行上下较小的波动,我们仍要求性能符合要求。

在对此滤波器的优化中会发现一个问题,即插入损耗很难满足2dB的要求。这也是题目设置不合理的地方,FR4材料(介电常数为4.4,故笔者认为其为FR4)在高频段的损耗较大,使用其会导致整个电路的损耗很难满足要求,故而笔者在初步设计的时候选择的滤波器阶数为3阶,若阶数太高则必然会导致电路尺寸加大,进行使损耗加大。

在进行优化和调校后的结果如下:

感觉也就是擦着边达标了(汗

接着生成layout,并且在两个端口处加上一段50ohm微带。由于HFSS的仿真精度更高,此处选择利用HFSS建模仿真而没有利用ADS的电磁联合仿真(顺便练习一下HFSS),照着版图来画HFSS还是很快的。

最后得到HFSS给出来的结果:

貌似S21这一块的结果还更好了(?

PS:在优化过程中为了满足指标,无奈只能采用线间距为2mil的情况,实际的生产过程中不可能做的到的,所以这个设计本身也就图一乐。但是利用同样的思路设计交指线滤波器的话可以获得很好的结果。

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