王名越，张卫国

（1.中国科学院微波遥感技术重点实验室 北京100190；2.中国科学院国家空间科学中心 北京 100190；3.中国科学院大学 北京 100190）

一种耦合线带通滤波器的设计

王名越1，2，3，张卫国1，2

（1.中国科学院微波遥感技术重点实验室 北京100190；2.中国科学院国家空间科学中心 北京 100190；3.中国科学院大学 北京 100190）

在现代通信系统中，滤波器的使用越来越广泛。本文通过两种仿真软件的协同仿真分析，来实现一个耦合线带通滤波器的设计。首先通过理论计算公式得到耦合线的奇偶模阻抗，然后在ADS软件中进行初次仿真分析。考虑到实际损耗的以及环境的影响，由ADS得到的结果作为HFSS的初始参数再在HFSS软件中进行优化设计。优化设计结果表明该耦合线带通滤波器在1 db损耗内的带宽为1.57~2.17 GHz，且在该频率范围内的回波损耗小于-10 dB，可以满足射频微波通信系统的要求。

耦合线；带通；滤波器；协同设计

随着现代通信系统的迅速发展，滤波器在微波毫米波无线系统中的作用越来越大，应用也越来越广泛[1-3]。微波滤波器属于无源电路的一种，在发射机、接收机中都起着举足轻重的作用。一方面抑制不需要的信号，使得需要的信号进行传输；另一方面微波滤波器还能消除各类镜频干扰信号、降低噪声信号以及频分复用等功能，进而改善系统的接收灵敏度。微波滤波器根据频率特性、带宽等可以分成很多类型，从结构形式上主要分成集中元件滤波器、微带线滤波器、腔体滤波器[4-5]、MEMS 滤波器[6-8]、LTCC 滤波器[9-11]、波导滤波器[12-13]、声表面波滤波器等。根据铜带特性，可以分为低通、高通、带通、带阻等形式。耦合线滤波器由于印刷在介质板上，具有重量轻、易集成且操作方便的特点。本文就对一种耦合线带通滤波器进行了设计。第一节介绍了滤波器的主要技术指标，第二节介绍了耦合线滤波器的理论设计原理，第三节对该耦合线滤波器进行了设计，第四节对本文进行了总结。

1 滤波器技术指标

微波滤波器是一个选频器件，主要功能是使得需要的信号通过而衰减不需要的信号，即实现通带范围内的信号无损耗传输和阻带范围内的信号最大衰减。在射频与微波领域应用广泛。带通滤波器的技术指标主要有工作带宽、插入损耗、回波损耗、纹波、品质因数以及群时延等[14]。下面主要介绍插入损耗、回波损耗指标。

插入损耗是描述通带内的功率损耗的大小。理想情况下，射频微波电路中的滤波器没有任何功率损耗的，而实际的滤波器不可能完全消除本身固有损耗。插入损耗表达式如下

其中|Γin|为信号源向滤波器看去的反射系数。滤波器的插入损耗也可以用散射参数S21表示如下的形式

回波损耗用来表示滤波器的反射特性，反应的是端口反射波的大小，用S11表示如下

2 耦合线带通滤波器设计原理

如图1所示为耦合线带通滤波器的理想电路图，该电路结构主要包括两对耦合线，两对耦合线的奇偶模特性阻抗分别为 Z1e，Z1o以及 Z2e，Z2o。 耦合线CLin1左边接系统特性阻抗为Z0的传输线，右边连接另外一段耦合线Clin2。

图1 耦合线带通滤波器理想电路图

一般情况下，如果滤波器的工作频率为f0，耦合线带通滤波器的S参数需要满足如下条件:通带内S11=0，通带外S21=0。奇偶模特性阻抗以及电长度设计参数需满足如下公式

根据实际应用要求，设计的滤波器的中心频率选择在2 GHz，两段微带线选择的电长度均为θ1=θ2=π。则第一和第三传输零点可表达如下：

3 耦合线带通滤波器的设计

3.1 ADS设计

根据时可以得到两段耦合线的奇偶模特性阻抗，且假设两段耦合线的电长度为θ1=θ2=π。在ADS中建立仿真模型[16]，两段耦合线的奇模阻抗分别设置为 Z1e，Z2e。 偶模阻抗分别为 Z1o，Z2o。 电长度为180°。设置好参数后进行仿真理想仿真，仿真原理图以及仿真结果如图2所示。

图2 理想滤波器仿真原理及仿真结果

由于图2中采用的理想耦合线，通过每段耦合线的奇偶模特性阻抗、电长度以及所使用的板材信息就可以计算出该段耦合线的物理尺寸[17]。板材选用F4B，介电常数为2.65，板厚1 mm。通过实际的耦合线进行仿真与实际比较接近。通过ADS软件中的Linecalc可以计算出两段耦合线的长度和宽度。带入实际耦合线参数的滤波器[18]的仿真原理及仿真结果如图3所示。通过比较图3与图2的结果，可以发现，带入实际耦合线的长度宽度等物理尺寸之后，滤波器的性能指标有了一些恶化。这主要是由实际耦合线的损耗引起的。在下一小节中，通过全波仿真软件对该滤波器进行建模，且通过参数扫描功能进行进一步的优化设计。

图3 带入耦合线实际参数的滤波器仿真原理及仿真结果

3.2 HFSS设计

通过上一小节的设计，发现带入耦合线实际物理尺寸之后，滤波器的性能变差了，在这一小节中，在HFSS中对该滤波器进行全波仿真，模型如图4所示，仿真结果如图5所示，从图5中可以看出指标与图2图3的结果相差较大，在2 GHz处S11大于-10 dB，需要进行优化设计。

图4 耦合线滤波器仿真模型

图5 未优化的滤波器插入损耗以及回波损耗

接下来对滤波器的参数进行扫描分析，在此处对该滤波器两段耦合线的长度分别设置为扫描变量，其中L1设置范围为52~56 mm，L2设置范围为49~53 mm。扫描结果如图6所示，从中可以看出，对应不同的耦合线长度组合，得到的滤波器响应是不同的。通过比较发现，当L1=56 mm，L2=49 mm时，该滤波器的回波损耗最小。

单独给出优化后的耦合线的长度L1=56 mm，L2=49 mm的仿真结果，如图7所示。从图7可以看出，该滤波器的回波损耗优化之后的结果明显变好了，且在中心频率2 GHz处达到

-17 dB，相比未优化的情况好了很多。从该图中可以看出，在带宽1.57~2.17 GHz范围内插入损耗都小于1 dB，回波损耗均优于-10 dB。同时给出了该滤波器的群时延特性，结果如图8所示。

4 结束语

文中通过采用两种仿真软件的联合使用，设计了一款基于耦合线的带通滤波器。该滤波器具有体积小，结构简单的优点。文中先介绍了滤波器在射频微波通信系统中的重要性，接着讨论了滤波器的主要技术指标，然后介绍了耦合线滤波器的设计理论基础，最后在原理的基础上进行了滤波器的设计。首先通过ADS得到初步的滤波器物理参数[19]，然后采用全波仿真软件对ADS得到的初步结果进行优化分析。通过仿真表明，所设计的滤波器在1 dB损耗内的带宽为1.57~2.17 GHz，且在该频率范围内的回波损耗小于-10 dB，可以满足很多射频微波通信系统的要求。

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图6 耦合线带通滤波器参数扫描结果

图7 优化后的耦合线带通滤波器频率响应

图8 滤波器的群时延特性

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A coupled line band-pass filter design

WANG Ming-yue1，2，3， ZHANG Wei-guo1，2
（1.Key Laboratory of Micrwave Remote Sensing，Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China；2.National Space Science Centre， Chinese Academy of Science， Beijing 100190，China； 3.University of Chinese Academy of Science，Beijing 100190， China）

In modern communication systems， filters are used more and more widely.In this paper， two simulation software co-simulation analysis to achieve a coupled line bandpass filter design.First，get even and odd mode impedance coupling line by theoretical formula，then the first simulation in ADS software.Taking into account the actual loss and environmental impact，the results obtained by the ADS as the initial parameter，and re-optimize the design in HFSS software.Optimal design results show that the coupled line bandpass filter bandwidth within 1db loss is 1.57~2.17 GHz，and the return loss in the frequency range of less than-10dB，which meets the requirements of RF and microwave communication system.

coupled line； band-pass； filter； co-simulation design

TN61

A

1674－6236（2017）12-0123-05

2016-05-17稿件编号：201605157

王名越（1990—），男，湖南郴州人，硕士研究生。研究方向:微波遥感、滤波无源器件。