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摘 要：针对工程应用中对L频段滤波器的需求和小型化考虑，在设计时采用叠层微带线滤波器是一个不错的选择。L频段微带线滤波器本身是一种采用分布参数实现的滤波器件，不可控因素较多，为达到较优设计指标可能需要多次试制，这与研发进度会形成冲突。ADS（Advanced Design System）作为一款仿真类EDA软件，能够在研发初期对滤波器进行仿真分析，大大提高产品质量和研发效率。该文针对L频段叠层滤波器进行了论述和ADS仿真，试制品测试结果满足设计要求。
关键词：滤波器;L频段;叠层;ADS;EDA设计
1 引言
滤波器在通信系统中占有非常重要的地位，广泛应用于电台通信、卫星通信、测量测绘、雷达技术以及电子对抗技术等领域。在射频发信道中经常会用到谐波滤波器类器件对功率放大器输出信号进行选频滤波。谐波滤波器一般都采用通带插入损耗小，阻带抑制较高的设计思路进行设计，常见的为选用椭圆函数滤波器或采用滤波器级联的方式。
本文涉及的是一种应用在L频段的低通滤波器。频率较低时低通滤波器是由高品质因数（Q）电感线圈和电容等集中参数器件搭建的，这类器件能够很好满足设计指标要求，但频率上升至L频段及以上时，由于集中参数元件选值较小，其精度不够并且Q值也会急剧下降，造成滤波器通带频率内插入损耗变大并且难以调试，无法满足设计要求。所以本文涉及的L频段低通滤波器采用微带线方式构建滤波器。同时为了小型化设计要求，多个微带线滤波器采用了叠层结构以减少器件在印制板贴装时的占板面积。
ADS是美国Agilent公司推出的电路和系统分析软件，可实现包括时域和频域、线性和非线性、模拟和数字、器件级和系统级等多方面仿真，解决了射频电路设计领域困扰设计工程师的大多数问题，是一款强大的射频电路设计与仿真工具软件。本文将采用ADS（Advanced Design System）辅助设计软件，对这款L频段微带线滤波器进行仿真分析，旨在提供一种利用ADS仿真软件进行微带线滤波器设计的思路和方法，从而减少设计迭代，提高设计速度。
2 微带线滤波器设计思路
微带线滤波器通常分两种：一种是通过将开路、短路微带线等效为电抗元件构成分布参数滤波器;另一种是利用相邻微带线之间奇模、偶模通过公共接地板产生耦合效应形成奇模特性阻抗和偶模特性阻抗，级联这些耦合微带线可得到滤波器的特性。当然这两种微带线滤波器并不是绝对独立的，有时需要将两种微带线滤波器进行综合考虑。早期微带滤波器的设计较多的采用镜像参量设计法和传输波设计法，但这两种方法的设计缺点较多，目前主要采用以综合设计为基础的原型电路设计方法。根据设计要求找到合适的综合设计出的滤波器原型后，查曲线初步确定其电路结构，将对应的表格归一化参数进行计算，得到该滤波器集总元件参数值。
本文中选用的滤波器原型有LC串并联低通滤波器原型电路（见图1）和椭圆滤波器低通原型电路（见图2）。
上式中成立的条件是l为短线时，如果当l较长时，电感特性会变成电容特性，电容特性也会变为电感特性。这就说明尺寸对微带线的特性起着很重要的作用。集中总参数电感和电容的设计也可以通过ADS仿真软件计算得到，运用ADS仿真软件，代入已知的板材参数及微带线长度，可以很容易计算出。
3 微带线滤波器设计实例
本文设计的L频段滤波器的指标是：
（1）对频段的划分是1GHz～1.42GHz和1.42GHz～2GHz;
（2）输入输出阻抗为50欧姆;
（3）插入损耗设计值为不大于1.5dB;
（4）带内波动不大于0.5dB;
（5）阻带衰减不小于40dB（1GHz～1.42GHz低通滤波器在2GHz阻带频率的衰减不小于40dB，1.42GHz～2GHz低通滤波器在2.84 GHz阻带频率的衰减不小于40dB）;
首先采用一个LC低通滤波器原型，通过上小节方法，计算出参数值。微带线滤波器类型选用单枝短截线微带线滤波器，根据微带线特性阻抗计算公式计算出微带线宽度和长度。单枝短截线低通滤波器的基本结构见图3。
图3单枝短截线低通滤波器的基本结构
通过仿真计算和优化设计，发现达到目标设计时，TL4～TL6这三根单枝短截线长度太长，这样版图会扩张的太大，使得所设计的微带线滤波器不能满足小型化要求。所以需要对单枝短截线进行布局的调整，即将平直的单枝短截线进行多次弯折，防止较大的面积扩张。在弯折过程中，主要在弯折时进行拐角处的导角等问题，防止影响滤波器指标。弯折完成的版图见图4所示。
介质板材选用的是罗杰斯的板材，介电常数Er为3.5，板材厚度为0.88mm，微带线走线铜厚为15μm。通过修正后的仿真结果见图5，通带满足要求，但阻带不满足要求。下面用级联一个椭圆低通微带线滤波器的方法进行处理。椭圆低通滤波器基本结构见图6。
通过仿真计算和优化设计，得到图7多电容型椭圆低通滤波器版图。
将两个滤波器进行综合后进行仿真和优化设计，得到图9的版图和图10的仿真结果。
当然，1.42GHz～2GHz的版圖设计可按上述方法得到，不再赘述。因为设计的小型化要求，将这两段滤波器采用层叠的结构进行设计。L频段微带线低通滤波器器件的3D示意图如图11所示。图12为利用ADS仿真软件最终优化的结果。
该微带线滤波器实际尺寸为43mm（长）×19mm（宽）×3.8 mm（高）。图13所示为器件的正面、背面、侧面实物照片。器件进行了过孔处理和侧面包边工艺。
经过对滤波器工程实物的测试，指标满足滤波器设计要求，指标达标。本文通过微带线滤波器的实际应用对滤波器的设计思路进行了讲解，并针对小型化的要求，提出了一种叠层结构的设计思路。另外需要指出的是，针对不同的功率容量需要进行不同形式的设计改进，本文设计滤波器的功率容量为20W。如果功率容量需要更大，需要对微带线宽和截面积进行计算和仿真，适度放大模块体积，采用不同的介电常数和不同厚度的板材进行优化设计。
参考文献
[1]王安国.全等宽平行耦合微带线带通滤波器设计[J].电路与系统学报，2005，5（1）：46-48
[2]陈黎，吴孟强，肖勇，等.基于ADS的平行耦合带通滤波器的设计[J].压电与声光，2012，34（3）：483-486
[3]徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].电子工业出版社，2012
关键词：滤波器;L频段;叠层;ADS;EDA设计
1 引言
滤波器在通信系统中占有非常重要的地位，广泛应用于电台通信、卫星通信、测量测绘、雷达技术以及电子对抗技术等领域。在射频发信道中经常会用到谐波滤波器类器件对功率放大器输出信号进行选频滤波。谐波滤波器一般都采用通带插入损耗小，阻带抑制较高的设计思路进行设计，常见的为选用椭圆函数滤波器或采用滤波器级联的方式。
本文涉及的是一种应用在L频段的低通滤波器。频率较低时低通滤波器是由高品质因数（Q）电感线圈和电容等集中参数器件搭建的，这类器件能够很好满足设计指标要求，但频率上升至L频段及以上时，由于集中参数元件选值较小，其精度不够并且Q值也会急剧下降，造成滤波器通带频率内插入损耗变大并且难以调试，无法满足设计要求。所以本文涉及的L频段低通滤波器采用微带线方式构建滤波器。同时为了小型化设计要求，多个微带线滤波器采用了叠层结构以减少器件在印制板贴装时的占板面积。
ADS是美国Agilent公司推出的电路和系统分析软件，可实现包括时域和频域、线性和非线性、模拟和数字、器件级和系统级等多方面仿真，解决了射频电路设计领域困扰设计工程师的大多数问题，是一款强大的射频电路设计与仿真工具软件。本文将采用ADS（Advanced Design System）辅助设计软件，对这款L频段微带线滤波器进行仿真分析，旨在提供一种利用ADS仿真软件进行微带线滤波器设计的思路和方法，从而减少设计迭代，提高设计速度。
2 微带线滤波器设计思路
微带线滤波器通常分两种：一种是通过将开路、短路微带线等效为电抗元件构成分布参数滤波器;另一种是利用相邻微带线之间奇模、偶模通过公共接地板产生耦合效应形成奇模特性阻抗和偶模特性阻抗，级联这些耦合微带线可得到滤波器的特性。当然这两种微带线滤波器并不是绝对独立的，有时需要将两种微带线滤波器进行综合考虑。早期微带滤波器的设计较多的采用镜像参量设计法和传输波设计法，但这两种方法的设计缺点较多，目前主要采用以综合设计为基础的原型电路设计方法。根据设计要求找到合适的综合设计出的滤波器原型后，查曲线初步确定其电路结构，将对应的表格归一化参数进行计算，得到该滤波器集总元件参数值。
本文中选用的滤波器原型有LC串并联低通滤波器原型电路（见图1）和椭圆滤波器低通原型电路（见图2）。
上式中成立的条件是l为短线时，如果当l较长时，电感特性会变成电容特性，电容特性也会变为电感特性。这就说明尺寸对微带线的特性起着很重要的作用。集中总参数电感和电容的设计也可以通过ADS仿真软件计算得到，运用ADS仿真软件，代入已知的板材参数及微带线长度，可以很容易计算出。
3 微带线滤波器设计实例
本文设计的L频段滤波器的指标是：
（1）对频段的划分是1GHz～1.42GHz和1.42GHz～2GHz;
（2）输入输出阻抗为50欧姆;
（3）插入损耗设计值为不大于1.5dB;
（4）带内波动不大于0.5dB;
（5）阻带衰减不小于40dB（1GHz～1.42GHz低通滤波器在2GHz阻带频率的衰减不小于40dB，1.42GHz～2GHz低通滤波器在2.84 GHz阻带频率的衰减不小于40dB）;
首先采用一个LC低通滤波器原型，通过上小节方法，计算出参数值。微带线滤波器类型选用单枝短截线微带线滤波器，根据微带线特性阻抗计算公式计算出微带线宽度和长度。单枝短截线低通滤波器的基本结构见图3。
图3单枝短截线低通滤波器的基本结构
通过仿真计算和优化设计，发现达到目标设计时，TL4～TL6这三根单枝短截线长度太长，这样版图会扩张的太大，使得所设计的微带线滤波器不能满足小型化要求。所以需要对单枝短截线进行布局的调整，即将平直的单枝短截线进行多次弯折，防止较大的面积扩张。在弯折过程中，主要在弯折时进行拐角处的导角等问题，防止影响滤波器指标。弯折完成的版图见图4所示。
介质板材选用的是罗杰斯的板材，介电常数Er为3.5，板材厚度为0.88mm，微带线走线铜厚为15μm。通过修正后的仿真结果见图5，通带满足要求，但阻带不满足要求。下面用级联一个椭圆低通微带线滤波器的方法进行处理。椭圆低通滤波器基本结构见图6。
通过仿真计算和优化设计，得到图7多电容型椭圆低通滤波器版图。
将两个滤波器进行综合后进行仿真和优化设计，得到图9的版图和图10的仿真结果。
当然，1.42GHz～2GHz的版圖设计可按上述方法得到，不再赘述。因为设计的小型化要求，将这两段滤波器采用层叠的结构进行设计。L频段微带线低通滤波器器件的3D示意图如图11所示。图12为利用ADS仿真软件最终优化的结果。
该微带线滤波器实际尺寸为43mm（长）×19mm（宽）×3.8 mm（高）。图13所示为器件的正面、背面、侧面实物照片。器件进行了过孔处理和侧面包边工艺。
经过对滤波器工程实物的测试，指标满足滤波器设计要求，指标达标。本文通过微带线滤波器的实际应用对滤波器的设计思路进行了讲解，并针对小型化的要求，提出了一种叠层结构的设计思路。另外需要指出的是，针对不同的功率容量需要进行不同形式的设计改进，本文设计滤波器的功率容量为20W。如果功率容量需要更大，需要对微带线宽和截面积进行计算和仿真，适度放大模块体积，采用不同的介电常数和不同厚度的板材进行优化设计。
参考文献
[1]王安国.全等宽平行耦合微带线带通滤波器设计[J].电路与系统学报，2005，5（1）：46-48
[2]陈黎，吴孟强，肖勇，等.基于ADS的平行耦合带通滤波器的设计[J].压电与声光，2012，34（3）：483-486
[3]徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].电子工业出版社，2012