射频微带滤波器的优化设计与矩量仿真

射频微带滤波器的优化设计与矩量仿真

2011年第01期，第44卷 通 信 技 术 Vol.44，No.01,2011 总第229期 Communications Technology No.229,Totally

射频微带滤波器的优化设计与矩量仿真

赫建成， 赵常余

（西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010）

【摘 要】在无线通信系统中，射频微带滤波器至关重要，经常要用滤波器从各种电信号中提取出想要的频谱信号。滤波器的性能在许多RF和微波系统中变得越来越重要。因此，设计了应用于射频微波系统下的阶跃阻抗低通微带滤波器，通过使用梯度优化方法，优化了滤波器的电路参数，提升了滤波器的整体性能，最终生成了微带滤波器的版图，并采用矩量法进行了电磁仿真，综合对比了版图和原理图的仿真结果，分析了结果的差异性。

【关键词】射频; 微带线; 滤波器; 矩量仿真

【中图分类号】TP391 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2011)01-0148-03

Optimized Design and Momentum Simulation of Radio Frequency Microstrip Filter

HE Jian-cheng, ZHAO Chang-yu

(College of Information Engineering, Southwest University of Science & Technology, Mianyang Sichuan 621010, China)

【Abstract】Radio frequency microstrip filter is very important in wireless communication systems. It could extract the desired signal spectrum from a variety of electrical signals. The filter plays an important role in the RF and microstrip systems. Thus a stepped-impedance microstrip filter applied in the radio-frequency system is designed, its parameters are optimized by Gradient method, and the filter performance is enhanced. Finally, the actual layout for the microstrip filter is produced, and the momentum simulation is done, the simulation results of schematic layout are compared, and their differences are analyzed.

【Key words】radio frequency; micro-strip; filter; momentum-simulation

0 引言

近年来，由于无线通信技术的高速发展，许多相关产品如手机、GPS、无线网络的应用越来越广泛，使学术界和产业界对无线通信的研究更加积极[1]。而射频微带滤波器在无线通信系统中至关重要，起着频带和信道选择的作用，并且能够滤除谐波，抑制杂散。在无线通信系统下，经常要用滤波器从各种电信号中提取出想要的频谱信号，所以滤波器的性能在许多RF和微波系统中变得越来越重要。而设计一个理想的滤波器，使通带内的信号完全通过并能够将通带以外的信号全部阻隔，是设计滤波器的核心所在。从滤波器的频率响应特性上看[2]，可分为低通、高通、带通和带阻滤波器；从滤波器的实现方案上来看，可分为有源滤波器和无源滤波器两类；滤波器的设计方法来看，可分为镜像参量设计法和插入损耗法设计法。其中，镜像参量法通过对传输零点的定位，来达到抑制镜像信号的目的。而插入损耗法设计法可以很容易满足低插损的要求，但是需要对器件参数进行优化才能达到更好的衰减特性[3]。

收稿日期：2010-05-07。 作者简介：赫建成（1987-），男，硕士研究生，主要从事射频通信电路

的设计研究工作；赵常余（1983-），男，硕士研究生，主要从事射频通信电路的设计工作。

1 射频滤波器设计

由于射频与微波的使用频率非常高，电磁干扰的频率也越来越高，干扰频率通常会达到数百MHz，甚至达到几个GHz以上。正是这些频率很高的干扰信号导致了辐射干扰的问题日益严重[4]。因此，设计射频低通滤波器就是要能对这些高频干扰信号产生较大的衰减特性。 1.1 集总滤波器的设计

设计了一个截止频率为4 GHz的阶跃阻抗滤波器来实现对高频信号的衰减。所设计的低通滤波器的具体指标为：具有最平坦响应特性；截止频率ωc为2.5 GHz；在ω=4 GHz处的插入损耗必须大于20 dB。

巴特沃斯滤波器在通带区内拥有最平坦响应特性，不具有波纹的抖动，所以需要选用巴特沃斯型滤波器来实现第一个设计要求。为了实现更佳的插损特性，使用插入损耗法来设计低通滤波器。巴特沃斯型滤波器的数学函数表达式为：

ω

PLR=1+k

c

2

2N

， （1）

其中，N为滤波器的阶数，ωc为滤波器的截止频率，滤波器的通带从ω=0到ω=ωc，通带边缘的功率损失比为1+k2。由

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射频微带滤波器的优化设计与矩量仿真

截止频点和阻带区内的最大衰减量来决定低通滤波器原型的阶数。对巴特沃斯滤波器而言，其插入损耗为：

转化成较可行或是更加容易实现的阻抗

最终使用Richards变换和Kuroda法则实现的微带滤波器结构，如图2所示。图中电路基板参数设置为：H电路板厚度为1.58 mm，Er为介电常数，设置为4.2，Mur为渗透系数设置为1，Cond为介质板上金属层的电导率，如采用金

ω

IL/dB=10lg 1+

ωc

2n

。 （2）

当IL要大于20 dB时，反推公式（2）可得：lg(100.1IL 1)

，最终推得n≥6时，满足设计要求。根据n≥

2lgωc查寻巴特沃斯低通原型值，获得：g1=0.517 6，g2=1.414 2，g3=0.931 8，g4=0.931 8，g5=1.414 2，g6=0.517 6，所获得低通原型电路如图1所示。

属铜，即设置为5.88E+7，T为金属层厚度，设为0.035 mm。

SP1

Start=0 GHzStop=5.0 GHzStep=0.01 GHz

MSub

图1 巴特沃斯低通原型电路

上式中的并联电容和串联电感都是归一化的值，为了得到实际的滤波器需要对前面查找到的参数进行反归一化处理。反归一化是根据终端的阻抗和应用频率的要求来实现的。最终获得串联电感元件和并联电容元件值分别为： 22

L=(ωU ωL)Lgi/ω0C=(ωU ωL)Cgi/ω0

，， （3） 其中，上边频ωU和下边频ωL确定了在ωc=ω0处的通带带宽，即：BW=ωU-ωL。此时，截止频率ωc就是作为中心频率ω0出现的。

1.2 微带滤波器的实现

上述滤波器的截止频率是在2.5 GHz，进行滤除的干扰频率当然就更高了，而工作频率超过500 MHz的滤波器是难于采用分立元件来实现的，这是因为工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，造成了各个方向上的电磁发射，会严重影响电路的性能。所以，实现射频与微波滤波器必须将集总元件转化为分布参数元件[5]。针对这一问题，利用理查德（Richards）变换将集总元件转化为分布元件。再利用Kuroda法则，从而获得优良的滤波特性[6]。

Optim1

OptimType=GradientSaveCurrentEF=noMaxIters=500DesiredError=0.0StatusLevel=4

FinalAnalysis="None"NormalizeGoals=noSetBestValues=yesSaveSolns=yesSaveGoals=yesSaveOptimVars=noUpdateDataset=yesMSUB

MSub1H=1.58 mmEr=4.2Mur=1

Cond=5.88E+7Hu=1.0e+033 mmT=0.035 mmTanD=0.02Rough=0 mm

w1=13.9017 {o}l1=2.4997 {o}l2=5.66719 {o}w2=0.300404 {o}l3=7.06391 {o}w3=9.59016 {o}l4=7.6805 {o}w4=0.485832 {o}l5=4.18659 {o}w5=13.9992 {o}l6=3.33637 {o}w6=0.300238 {o}

OptimGoal1

Expr="dB(S(2,1))"

SimInstanceName="SP1"Min=-1Max=

Weight=100

RangeVar[1]="freq"RangeMin[1]=0 GHzRangeMax[1]=2.6 GHz

图2 微带滤波器的优化设计

优化前的设计结果在截止频点2.5 GHz处的插入损耗为1.017 dB，而在4 GHz处的衰减并没有达到设计指标所要求的20 dB，所以需要对所设计的滤波器做优化。使用ADS中的优化控件，因为仿真结果很接近设计指标要求，所以采用了局部收敛的梯度优化方法，使优化性能更加细腻，并且占用很少的时间和资源。

0S(2,1)/dBf/GHz

(a) 优化设计前仿真结果

f/GHz

0S(2,1)/dB

Richards变换的核心思想就是利用一段开路或短路传输线等效分布的电感或电容元件。利用这一转换可将ω平面映射到 平面上：

ωl

。 （4） p

此种映射会每ωl/vp=π重复一次,根据这一特性，可获得

=tanβl=tan

与频率有关的传输线电感特性和集总参数元件之间的关系为：

πfπ

（5） )=jZ0tan( )=SZ0，jXL=jωL≡jZ0tan(

0其中，S=jtan(π /4)就是理查德变换，同样，电容性集总参数元件的功能也能用一段开路传输线来实现。最终，Richards变换可以用特性阻抗Z0=L的一段短路传输线代替集总电感，也可以用特性阻抗Y0=C的一段开路线来替代集总电容。

(b) 优化设计后仿真结果

图3微带滤波器的仿真结果

2 版图生成与矩量仿真

原理图仿真是在完全理想的传输特性下进行的，其结果也是理论计算上的结果，而这些结果并不能很好地反应实际制作电路板的最终特性。这就需要考虑干扰、耦合等因素的影响。因此，对此作了版图级的仿真，使最终的仿真结果更加符合实物性能。

在生成的版图文件下，设置好微带和基板参数后，在版图设计窗口执行菜单命令：

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Kuroda法则有四个恒等的传输线结构之间的相互变换，其它主要功能有：①将传输线段分开；②将串联线段与并联线段彼此相互转化；③将不容易做到或不切实际的特性阻抗

射频微带滤波器的优化设计与矩量仿真

Momentum →RF-Enable→ simulation →S-parameter最终获得版图级的仿真数据：

Mag./dBf S21 的微带滤波器，详细说明了设计原理和设计方法，并采用了梯度优化方法，优化了微带滤波器的电气参数，从而使滤波器获得了优良的滤波特性。在此基础上，生成了微带滤波器的版图，通过综合考虑微波在传输线中的干扰、散射、和耦合等特性，最终将生成的版图进行了矩量仿真，综合对比了原理仿真和矩量仿真结果的差异，分析了产生这一差异的原因。为所设计的射频滤波器走向实际应用打下了良好基础。

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图4 矩量仿真结果

对比图4的矩量仿真结果和图3优化后的仿真结果，可以看到，矩量仿真后的截止频点处的插入损耗更大了，达到了2.213 dB，远远高于原理图仿真下的0.965 dB，阻带的整体衰减也更大了。这主要是矩量仿真引入了各个矢量方向上的传输散射问题，以及耦合效应的结果。但这一仿真结果能够更精确地反映出实物的物理特性。

3 结语

设计了一个实际应用于射频与微波系统的抗高频干扰

（上接第136页）

等的资源分配问题，无需迭代，复杂度低。通过固定每个中继用户能够协助的最大子信道数以及中继分配给每一条子信道的传输功率，既保证了每个中继不会被过度使用，又简化了资源分配算法。仿真结果显示了算法的优越性。

平均速率/(b/s)

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图1 在两个用户情况下，每个用户的平均速率

平均速率/(b/s)

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用户编号

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图2 在四个用户情况下，每个用户的平均速率

4 结语

基于效用的资源分配以效用函数为优化目标，最大化用户的总体满意度。使用贪婪算法求解联合分配功率、子信道

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4rv1.html