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。