２０１１年５月 电子测试 Ｍａｙ２０１１ 繁５期 ＥＬＥｃＴＲ０ＮＩｃ ＴＥ￥Ｔ Ｎｏ．５ 开路边缘平行耦合微带带通滤波器的设计 张金 ，廖同庆 ，沈国浩。 ，陈新民 （１安徽大学，计算智能与信号处理教育部重点实验室，合肥２３００３９；２蚌埠学院，蚌埠２３３０００） 摘要：本文首先对开路边缘平行耦合微带带通滤波器的滤波特陛进行了分析，接着使用微波仿真软件ＡＤＳ对其 进行了仿真。仿真时根据设计指标用ＡＤＳ的优化功能对原理图进行多次优化，优化时注重对多个参数实行逐个 优化，使得优化的速度更快。通过对一中心频率为３．０５ＧＨｚ带宽为３．３％的带通滤波器进行仿真，结果很好地满 足设计指标。基于ＡＤＳ优化设计的滤波器克服了耦合微带滤波器的带宽偏离指定带宽和通带损耗过大的缺点。 使用ＡＤＳ软件设计还可以避免传统设计过程的繁琐，需多次进行实验测试，耗费原材料等缺点。 关键词：微带带通滤波器；边缘平行耦合；ＡＤＳ 中图分类号：ＴＮ７１３＋．５ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇ ｏｆ １）ｅｓｌ ｎ ｏｔ ０Ｐｅｎ－ｃ］ｒｃｍｔ ｅｄｇｅ ａｒａＵｅｌ ｃｏｕｐｌｅｄ 。 ‘ｅｄｇｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｌｅｄｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｂａｎｄ－ｐａｓｓ ｆａｎ ａｓｓ ｔｉｌｔｅｒ ｉｌｔｅｒＺｈａｎｇ Ｊｉｎ ，Ｌｉａｏ Ｔｏｎｇｑｉｎｇ ，Ｓｈｅｎ Ｇｕｏｈａｏ 一，Ｃｈｅｎ Ｘｉｎｍｉｎ （１ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ＆Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖ．，Ｈｅｉｆｅｉ ２３００３９， Ｃｈｉｎａ；２ ＢｅｎｇＢｕ Ｃｏｌｌｅｇｅ，ＢｅｎｇＢｕ ２３３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ａｎ ｏｐｅｎ——ｃｉｒｃｕｉｔ ｅｄｇｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｂａｎｄ—— ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＡＤＳ．Ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ’Ｓ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｃａｎ ｂｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｍａｎｙ ｔｉｍｅｓ ｉｎ ＡＤＳ． Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｎｅｅｄ ｂｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｏｎｅ ｂｙ ｏｎｅ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ’Ｓ ｓｐｅｅｄ ｍｏｒｅ ｆａｓｔ．Ａ ｂａｎｄ—ｐａｓｓ ｆａｌｔｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ３．０５ＧＨｚ ａｎｄ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆ ３．３％ｉｓ ｏｐｔｉｉｍｚｅｄ．ｗｈｏｓｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｎｇ ｉｎｄｅｘ ｗｅｌ１． Ｓｅｖｅｒａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅａｎｓ ｃａｎ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ ｂｙ ＡＤＳ．Ｓｕｃｈ ａｓ，ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｆｉｌｔｅｒ’Ｓ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｄｅｐａｒｔｕｒｅ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ’Ｓ ｅａｓｉｌｙ，ｌｏｓｅ ｔＯＯ ｍｕｃｈ ｉｎ ｔｈｅ ｂａｎｄ—ｐａｓｓ ａｒｅａ，ｎｅｅｄ ｔＯＯ ｍａｎｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｗａｓｔｅ ｌｏｔｓ ｏｆ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｂａｎｄ——ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ；ｅｄｇｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｕｐｌｅｄ；ＡＤＳ ０引言 本文首先根据设计指标利用简单的设计公式计算出 所需滤波器的耦合节的节数和各耦合节的电参数，然后 微波滤波器在微波通信、电子对抗、雷达技术及一 利用微波仿真软件ＡＤＳ来完成滤波器结构参数的计算并 些微波测量仪器中有着广泛的应用。通常设计分布参数 进行从原理图到版图的各级仿真。仿真时根据设计指标 微带滤波器 。踟的方法是通过已有的计算公式和图表来求 用ＡＤＳ的优化功能对原理图进行多次优化克服了微带 所要得到满足设计目标的滤波器的结构参数［４－５］ｏ但耦合 耦合滤波器的带宽偏离指定带宽和通带损耗过大的缺点， 微带线的结构参数计算十分繁琐，且计算精度不高。 最后使得仿真结果满意。 ２ｏ１１，５ Ｔｅｓｔ Ｄ，ｓ＆Ｓｏｌｕｔｉｏｎ １设计原理 在高频通信电路中，用黑田变换所设计出的非耦合 频率变换式见式（１）： ： ∞１ Ｗ （Ｉ）０ （ｏ／ｌ ｆ， 一 、Ｉ （１） 带通滤波器要实现指定通带衰减、阻带衰减等一系列的 性能指标时会出现如下问题：（１）实际制作出的实物伸 展面积较大，不如耦合式带通滤波器较为紧凑。（２）寄 生通带的中心频率为两倍带通滤波器中心频率处，而耦 ∞’表示为低通原型的频率，０３ 为低通原型的截止 频率，ＣＯｏＹ￣带通滤波器的中心频率，０３为带通滤波器的频 率，ｗ为带通滤波器的相对带宽， ，∞【，，∞ 分别为带通滤波器的上下边频。由式（１）与给定设计带 通滤波器的参量算出低通原型归一化值，再通过查表确 合微带线带通滤波器则为３倍带通滤波器中心频率处， 更有利于对不需要的频率的抑制。（３）各分支微带线粗 细悬殊，不易实现，而耦合微带线滤波器则还可以调节 线间距来满足综合设计要求。边缘平行耦合微带带通滤 波器原理是由含一种电感元件的低通滤波器原型推导同， 其对应方式见图ｌ。 Ｊ变换器 耦合单元 台Ｊ变换的等效电路 图１开路耦合线等效电路 耦合节在带通滤波器的中心频率厂０上是九０／４￣４＆， 所以电长度０为９０度。将一系列的如图１的耦合节级联 后，形成长度为九ｏ／２传输谐振电路的级联，如图２所示。 —］ ．０Ｐ ０。 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．－Ｊ ［二二＝二］ ０，１［＝＝］ ＯｅＺ０。 １．２［二＝］ ［二二二］ ＺｏｅＺ０。 ［二二二］ ０ 图２两端开路边缘耦合带通滤波器设计图 ２设计方法 在带通滤波器的设计中是将低通原型的（１）＝０的点 ∞。的带 滤波器 频 ｏｏ 的点变换成（ｉ）＝０和（ｏ＝∞的点，对应低通到带通的 ． ． 定要实现滤波器的阶数ｎ。 要使用ＡＤＳ仿真边缘平行耦合微带带通滤波器需要 计算出各微带耦合节的宽度、长度和间距，计算步骤如下： （ａ）根据相对带宽 计算平行微带线各耦合节奇模 和偶模的阻抗Ｚｏ。，Ｚｏ １ √０（ｆ＝１） ‘２ ，１ 么０ １ ｆ，Ⅲ （２ ｉ≤，ｚ一１）（３） 厶０ √ｎ， １ ．ｎ＋１ ＿＝－ ＝ Ｚｏ ） （４） 得奇、偶模特性阻抗： 岳 Ｚ０。 ：Ｚ０ １一Ｚ ＋１＋（Ｚ ＋ ） ］ ｆ５１ ｚ。（６） ＝［１＋Ｚ。 ＋（Ｚ ＋ ） ］ 下标 为图２中的耦合段单元节数，Ｚ０是滤波器输 入输出端口的传输线特性阻抗。 （ｂ）求耦合微带线的尺寸 由步骤（ａ）中式（５）和式（６）计算的奇偶模特性阻抗 后，可以利用已有的经验公式 ‘踟计算各耦合节的几何尺 寸，但此种方法较为繁琐。本文用ＡＤＳ软件自带的计算 工具ＬｉｎｅＣａｌｃ来计算给定参数下的微带线的宽度、长度 以及耦合线间距。 ３开路边缘平行耦合带通滤波器 的设计实例 ３ 。。 。一一 ’一 。２ｏ＂，５ ４０ｄＢ和３５ｄＢ。通带内波纹为０．ＯｌｄＢ，衰减小于２ｄＢ，起 软件中自带的ＬｉｎｅＣａｌｃ来计算实现微带线的导带宽度 伏小于ｌｄＢ。端口反射系数小于一１５ｄＢ。传输线特性阻抗 ｗ，长度Ｌ及耦合导带之间距离ｓ，然后将计算后的值带 Ｚｏ＝５０￣入图３的原理图进行仿真。用ＬｉｎｅＣａｌｃ计算出来的值第 首先算的相对带宽 首先。 的相对带字Ｗ：：了 ＝ ０ ．１：０．０３３，再由公式一，再由公式１得 得 次仿真会出现中心频率偏离目标频率，通带的损耗大 频率变换 ∞ ０．０３３＼２．ｆ 一８ ３． １０５ Ｊ ＿５．２，由０．０１ｄＢ波纹 于设计值，这就需要对原理图进行优化仿真。这里设置 ４个优化ＧＯＡＬ，ＯｐｔｉｍＧｏａｌ、ＯｐｔｉｍＧｏａｌ２、ＯｐｔｉｍＧｏａｌ３、 ＯｐｔｉｍＧｏａｌ４，分别设定通带衰减不超过２ｄＢ，小于２．８ＧＨｚ ５．２处要获得至少４０ｄＢ的衰减，则滤波器的阶数至少为 时衰减不小于４０ｄＢ，大于３．３ＧＨｚ时衰减不小于３５ｄＢ和 ｎ＝４。再由具有波纹的４阶切比雪夫滤波器的元件参数 通带内反射系数小于一１５ｄＢ。 可有数值表查的。 优化后得耦合线节的尺寸值见表２。 ｇｏ＝ｌ，ｇ１：Ｏ．７１２８，ｇ２＝１．２００３，ｇ３＝１．３２１２， 表２各耦合节尺寸 ｇ４＝０．６４７６，ｇ５＝ｌ＿１００７ 根据公式（３）～（６）得Ｚ０ ｆ ｆ＋１，Ｚ０。’Ｚ０ 。列在表ｌ中。 表１奇偶模阻抗 优化后仿真结果见图４。 原理图的仿真是在非常理想的状态在进行的，而实 际电路板的工作要考虑到干扰，耦合，表面波效应，空 本文选用微带基片为ＦＲ－４，即基片介电常数 间辐射波等因素的影响，所以需要将原理图在ＡＤＳ中生 ￡ｒ－＝４．６，基片厚度为ｈ＝２０ｍｉｌ，磁导率Ｍｕｒ＝ｌ，金属 成版图再进一步的仿真。图５为生成的版图，图６是对 带选用铜材料（电导率Ｃｏｎｄ＝５．８ｅ＋７），导带厚度 版图的仿真结果。 Ｔ＝０．０ ｌｍｍ封装高度Ｈｕ＝３．９ｅ＋３４ｍｍ。利用ＡＤＳ仿真 匝臣 ： ：：： Ｏｐｔｉｍ Ｏｐｔｌｍｌ Ｏｐｔｌ忡ｐｅ＝Ｒａｎｄｏｍ ＵｓｅＡＩｔＧｏａｌ￣ｙｅｓ ［ 口［ 口［ 口 ［ 口 ００ ‘Ｍａｘｌｔｅｔ￣２００ ＳａｖｅＯｕｒｒｅｎｔＥＦ＝ｆｉｅ ＯｐｔｉｍＧｏａｌｌ ＯｐｔｉｍＯｅｅｌ２ Ｏ；ＳｔｉｒｈＧｄａＩ３ ＯｐｔｉｍＯｏａｌ４ ｏｅｓｉｒｅｄＥｒｔｏｒ＝０ ｎ Ｅ即仁“旧（ｓ（２：１））。 Ｅｘｐｒ－＝”ｄ日（８（２：１）） Ｅｘｐ 阳（ ．１））“ Ｅｘｐｒ＝”ｄｅ（ｓ（１：１ ８ｔａｔｕｓｌ，．ｅｖ￣ｌ＝４ ８ｉ ，ｌ钳ａｎｃｅＮａｍ ”８ Ｐ．Ｉ” ８ｊ １３Ｓｔ￣１￣８ＮｅｌＴＩ８＝＝－８Ｐｊ” ８Ｉ ｎ 钔ｃｅＮａｍ８＝“ＳＰ１” ８Ｊ ｎ ａｎｃｅＮａｍＢ ｔＳＰ：ｌ“ ＦｌｎａｌＡｎａｌｙｓｉ￣”№ｎ Ｍｉｒｌ＝－２ Ｍ１ Ｍｉｒｌ＝ Ｎｏｒｍａｌｉｚ ∞Ｉ＃ｈｅ ＭＩ怍 Ｍｅｘ＝－ Ｍａｘ＝－４０ Ｍａ ・３５ Ｍａｘ＝－．３０ Ｗｅｉｃｌｈ仁１００ ＲａｒｉｇｅＶａｒ［１］＝＂￣ ’ ＲａｎｇｅＭｉｎ［１ｌ＝２ ９９ ＧＨＥ ＲａｎｇｅＭａｘ［１］＝３ １１ ０Ｈｚ 女’ｍ 强 ． ｔ－ 图３仿真原理图 ２ｏ¨，５ Ｓ １ １ ｍ１１ ０ ｆｒｅｑ＝３．０１０ＧＨｚ ｄＢ（Ｓ（１，１））－－２４．７３０ ｏＰｔｌｔｅｒ－－１ ４６ ・１０ 画 ＼ ｍ，墨．２０ ｔ ， ’ ３０ －４０ ∞ 一 ｍ５ ｆｒｅｑ＝３．０９５ＧＨｚ ｄＢ（ｆｉｌｔｅｒｍｉｃｒｏｔｒ ｐ２ｍｏｍ一—ａ．．Ｓ（１，１））一１ ５．７４７ 图６版图仿真结果 ｍ１０ ｆｒｅｑ＝２．８００Ｇ Ｈｚ 从原理图３和版图５的仿真结果图４和图６知道在 ｄＢ（Ｓ（２，１））＿一４７．０８６ ｏｐｔｌｔｅｒ＝ｌ ４６ 滤波器的带通损耗均小于２ｄＢ，阻带的衰减也都满足设计 图４原理图仿真结果 指标。比较图４与图６看出在考虑到实际因素对滤波器 性能的影响后滤波器的通带损耗和反射损耗均有所增大， 但最终损耗满足设计损耗的指标。 ４结论 本文对开路边缘平行耦合微带带通滤波器的滤波特 性进行了分析，并使用微波仿真软件ＡＤＳ对其进行了 仿真。通过对比分析得知，相对于传统设计方法，克服 图５开路耦合微带滤波器的版图 了此类滤波器的带宽偏离指定带宽，通带损耗过大和在 截止频率附近通带内电压驻波比波动较大的缺点。利用 ＡＤＳ的优化功能还可以避免传统设计此类滤波器的繁杂 ｍ３ 的查表计算过程、简化设计周期、提高设计精度，进而 ｆｒｅｑ＝３．０００Ｇ Ｈｚ ｄＢ（ｆｉｌｔｅｒ提高原材料的利用率、避免耗材的浪费、降低成本。 ＿ｍｉｃｒｏｔｒｉｐ２一ｍｏｍ—ａ．．Ｓ（２，１））一１．５８９ Ｓ２１ 参考文献 一 ［１】Ｎｅｓｉｃ Ｄ，Ｎｅｓｉｃ Ａ．Ｂａｎｄｇａｐ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｅ ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ 口ｌ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｅｔｃｈｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｐｌａｎｅ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｌｅｔｔ．，２００１，２９（６）：４１８—４２０． ｍ２ 【２】 Ａｈｎ Ｄａｌ，Ｐａｒｋ Ｊｕｎ－Ｓｅｏｋ，Ｋｉｎ Ｃｈｌ－Ｓｏｏ，ｅｔａ１．Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｆｒｅｑ＝２．８０２Ｇ Ｈｚ ｄＢ（ｉｆｌｔｅｒ—ｍｉｃ ｒｏｔｒｉｐ２一ｍｏｍ—ａ．．Ｓ（２，１））＝一５０．３４３ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ－ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｓｔｒｉｐ ｍＩ ｄｅｆｅｃｔｅｄ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏｎ ｆｒｅｑ＝３．３０２Ｇ Ｈｚ ｄＢ（ｆｉｌｔｅｒ—ｍｉｃ ｒｏｔｒｉｐ２一ｍｏｍ—ａ．．Ｓ（２，１））＝一４４．３８７ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ Ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．２００１，４９（１）：８６—９３． （下转１０９页） 巴 ２ｏ１１．５ 实际项目的实验可以发现，由于Ｓｐｒｉｎｇ本身对代码良好 出版社，２０１０． 的封装性，在以后产品功能变更的时候极大的降低了框 【４］王东刚．软件测试与ｊｕｎｉｔ实践［Ｍ】．北京：人民邮电 架的修改复杂度，使得自动化测试系统的寿命得以延长， 出版社，２００４． 且Ｓｐｒｉｎｇ不但应用于普通软件产品的开发，其通过对测 ［５】刘双悦．壬培东．一种基于改进遗传算法的面向路 试的辅助也可以达到增强整个软件产品稳定性和高效性 径测试用例自动生成方法［Ｊ］＿自动化技术与应用， 的作用。最重要的是引入了Ｓｐｒｉｎｇ的自动化测试框架其 ２０１０（０３）． 本身也达到了软件系统所要求的代码的良好的封装以及 【６】 王小银．软件自动化测试的研究与实现［Ｊ］．电脑知识 松耦合等特性，这使得系统在应对未来的功能上的更改 与技术，２０１０（２５）． 甚至于其他项目上都能发挥其作用，这能大大降低公司 【７】谢经纬．吴昊．探索性方法在面向故障软件测试中 的人力资源成本和无用的功能重复开发。 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