一种基于CAD/EDA工具设计的2.6GHz微带发夹式带通滤波器

hhpsr1990 · 发表于 2020-5-24 15:28

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对于当今的无线通讯行业而言，CAD/EDA工具是无线产品设计周期必不可少的部分。这些工具实际上体现了设计工程师对设计及上市周期的关注。CAD/EDA工具只有做到准确模拟和易于使用，才能使得设计工程师们达到最好的效率。
　　本文讨论了一种2.6GHz微带发夹式带通滤波器的设计，这个设计是利用Ansoft公司Serenade设计环境中的Harmonica电路级模拟器完成的。设计结果通过Serenade的布线工具S2A，被导出到Ansoft的Ensemble（2.5维平面电磁模拟器）以及LPKF样品板制作应用程序。这个设计实例的主要目的是把Serenade的模拟结果与Ensemble的模拟结果以及实测数据进行比较。
　　表1总结了这个设计实例中用到的所有CAD/EDA工具。注意所有的工具都在PC上使用。

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　　表1. 滤波器设计中使用的CAD/EDA工具。

　　滤波器设计
　　我们使用了一种四片式微带发夹式滤波器结构来实现响应中心值为2.6GHz，带宽为3dB（约为280MHz）的带通式滤波器。最初的设计通过Serenade桌面的原理抓取器输入（见图1），该设计使用了Harmonica的微带分布元件库。
　　Harmonica分布库模型包含了一种多耦合线元件（MCPL）模型，这个模型可以用来设计发夹滤波器的耦合部分。MCPL使用了一个全波频域算法，能够在任意给定的频率范围，准确计算任意线宽，间隔和组合的多达20条的耦合线的电气特性。在图1所示原理图中，MCPL元件是图中居中的八条耦合线。

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　　图1 Serenade中的微带发夹式滤波器的原理图。

　　发夹式滤波器的转折部分表示成子电路（“U”型符号），它包括直的传输线部分以及转弯的连接部分。由于没有为滤波器指定屏蔽区域，所有的辐射效应都应被纳入考虑的范围。Harmonica和Ensemble两个模拟器都是这样做的。基材选择了Rogers TMM-4。它的相关规格祥见表2。

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　　表2 Rogers TMM-4基材规格

　　滤波器的尺寸经过优化，以实现需要的带通波段。由于MCPL元件能够模拟任意的线宽和线距组合，通过优化参数，我们保留了滤波器的对称性设计。

　　滤波器制作
　　滤波器在Harmonica中经过了再三优化之后，其拓扑结构就可以被输出成设计图样。Serenade的桌面菜单中包含了一项S2A布线工具，打开它之后，它会自动根据之前的原理图生成设计图。

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　　图2 由Serenade图案设计软件生成的设计图。

　　随后，利用S2A，我们可以生成一个DXF文件。这个文件被导入到LPKF CircuitCAM中，经过简单处理之后，生成雕刻机应用软件LPKF BoardMaster能够识别的加工文件。CircuitCAM是用来在导线间生成绝缘沟道，同时对设计图进行检查和编辑的工具。图3展示了CircuitCAM的处理结果。最终的设计图样被输入到LPKF ProtoMat 95s系统中（图4），准备加工。

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　　图3 LPKF的CircuitCAM程序生成的切割轨迹

　　除了能输出DXF文件，S2A还能输出一个Ansoft 中性文件集（ANFS），用来在Ensemble中产生一个滤波器设计工程。图5显示了一个假色的抓图，该图表示在2.6GHz时，该滤波器的射频电流强度在Ensemble中的模拟结果。

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　　图4 LPKF ProtoMat® 95直接从CAD数据雕刻电路板。

　　滤波器测量
　　滤波器制作完成后，SMA连接器被焊接到它上面。图六表示在最终测量中使用的滤波器样品。我们利用HP 8510B网络分析仪测量了滤波器的插损和回损。Serenade能够通过GPIB/HPIB接口，从各种各样的网络分析仪直接下载和保存S参数。

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　　图5 Ensemble中的滤波器模型。

　　数据比较
　　图6 表示插损和回损的实测数据与Harmmonica和Ensemble模拟结果的比较。对于一个一次通过的样品来说，这样的结果可以说符合得非常好了。表3总结了三个数据集相应的3dB点，带宽以及中心频率的值。

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　　图6 滤波器样品照片。

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　　表3 总结了三个数据集中的滤波器的频率特性。我们注意到，中心频率值都在2.600GHz的±1%以内。
　　总结
　　本文讨论了一个2.6GHz微带发夹式滤波器的设计以及验证。使用两种同样来自Ansoft公司的模拟器对设计进行了模拟计算。一种是Serenade设计环境中的Harmonica模拟器；另一种是Ensemble 2.5D 电磁模拟器。我们把来自这两种模拟器的模拟值与样品的实测值进行了比较。设计图由S2A布线工具生成，并被导出成DXF文件；LPKF公司的CircuitCAM对DXF文件进行编辑和处理后，将最终加工文件导出到LPKF BoardMaster；Protomat 95s系统根据该文件自动完成样品的加工。插损和回损的两个模拟结果和实测结果都进行了比较，彼此有很好的符合度。