微带滤波器的设计1 - 阿涛a

时间:2024-02-22 16:03:39

微带滤波器的设计1

  嵌入式写了两篇,写不下去了,没时间搞,继续写微波器件吧!今天说一下微带滤波器的设计,种类和方法有很多,数值分析等方法对数学功底的要求非常高,还有广义切比雪夫耦合矩阵的方法也比较复杂,涉及矩阵的旋转消元;

我这里就搞个简单的hairpin的吧,可以简单高效的设计并在自己的项目中应用;

按照做项目的规律来写,

第一步就是明确指标需求,f0中心频率10.9GHz,fL低3dB截止频率10.4GHz,fH高端3dB截止频率11.4GHz,得相对带宽FBW为0.092,阻带偏离截止频率1GHz也就是1.1倍处的抑制大于40dB,如果带内回损要小于-20dB的话,切比雪夫纹波系数要小于0.05,所以在这里选择-16dB的回损要求,回损对应纹波的关系如下图所示所以选择纹波系数为0.1,查切比雪夫低通原型滤波器图如下:5阶可以基本达到40dB的抑制要求;

 

第二步就是滤波器的综合了,耦合系数法适合T型网络,灵活且应用广泛,通过耦合结构选取,谐振器,谐振器单元数的设计就完成了综合过程,通过查表可以得到5阶的归一化g值如下图:

 

第三步就用耦合系数的公式计算相应的参数值,有载Q值=g0*g1/FBW=12.465,再根据端口时延与有载Q值的关系t=2*QL/(PI*f0)=0.728ns,1和2谐振器的K12=FBW/根下g1*g2=0.0734,K23=0.0559;

有了以上具体值后就是最后一步了,选择PCB板材,根据APPCAD计算大概的四分之一介质波长,在此板材选RO4350,板厚选0.254mm,计算的四分之波长为4.1mm,在hfss中建立本征模仿真模型仿真谐振器长度如下图:

 

设置2个模式,其中一个高次模可以看看二次谐波的位置,结果如下图:

 

在10.8G谐振,2个四分之一臂之间间隔0.6mm,臂长4.1mm,臂之间的间距太小互耦会太强,可是太远抽头位置会不够,所以权衡考虑间距选择0.6mm;下面进行耦合系数的仿真,还是在本征模下,2个模式取实部就是2个谐振频率,建模如下:

 

谐振频率和K值的关系公式为k=|f1^2-f2^2|/(f1^2+f2^2),根据公式建立k值变量,扫描谐振器之间的间距来得到我们想要的K12=0.0734,K23=0.0559对应的实际间距,结果如下所示:

 

0.0734对应s1=0.195mm,0.0559对应s2=0.258mm;接下来仿真有载Q值对应的抽头到谐振器中心的距离,建模如下:

 

进行端口频率扫描,抽头距离最底部的距离进行扫参,得到10.9G处有最大时延,但仿真结果和计算的0.728ns有一定差距,但不影响,结果如下:

 

此时抽头位置离底只有0.3mm的距离,所以两臂之间的距离不能太远,否则无法进行抽头输出了;以上参数都得到了之后,建立整体滤波器模型如下:

 

进行整体仿真,之后看一下网格划分图,确认一下网格是否合理,因为不看一下可能仿的结果会有问题,而且不知道问题的原因,网格划分图如下:

 

 

此时网格分布较合理,所以仿真结果可以相信,结果如下:

 

通带虽然偏低,但整体的滤波器指标已经出来了,在这个基础上进行优化就可以得出想要的结果了,如果没有得到这样的初始通带结果,那么优化调试的时间会非常长,而且多半无法优化出想要的结果,本来传统的滤波器是没有抑制零点的,此结果的低端有传输零点,我觉得应该是谐振器之间有了交叉互耦造成的;优化过程下一次再写。