基于CAD軟件和EDA工具設計一種2.6GHz帶寬的微帶發(fā)夾濾波器

對于當今的無線通訊行業(yè)而言，CAD/EDA工具是無線產(chǎn)品設計周期必不可少的部分。這些工具實際上體現(xiàn)了設計工程師對設計及上市周期的關注。CAD/EDA工具只有做到準確模擬和易于使用，才能使得設計工程師們達到最好的效率。

本文討論了一種2.6GHz微帶發(fā)夾式帶通濾波器的設計，這個設計是利用Ansoft公司Serenade設計環(huán)境中的Harmonica電路級模擬器完成的。設計結(jié)果通過Serenade的布線工具S2A，被導出到Ansoft的Ensemble（2.5維平面電磁模擬器）以及LPKF樣品板制作應用程序。這個設計實例的主要目的是把Serenade的模擬結(jié)果與Ensemble的模擬結(jié)果以及實測數(shù)據(jù)進行比較。

表1總結(jié)了這個設計實例中用到的所有CAD/EDA工具。注意所有的工具都在PC上使用。

表1. 濾波器設計中使用的CAD/EDA工具。

濾波器設計
我們使用了一種四片式微帶發(fā)夾式濾波器結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)響應中心值為2.6GHz，帶寬為3dB（約為280MHz）的帶通式濾波器。最初的設計通過Serenade桌面的原理抓取器輸入（見圖1），該設計使用了Harmonica的微帶分布元件庫。

Harmonica分布庫模型包含了一種多耦合線元件（MCPL）模型，這個模型可以用來設計發(fā)夾濾波器的耦合部分。MCPL使用了一個全波頻域算法，能夠在任意給定的頻率范圍，準確計算任意線寬，間隔和組合的多達20條的耦合線的電氣特性。在圖1所示原理圖中，MCPL元件是圖中居中的八條耦合線。

圖1 Serenade中的微帶發(fā)夾式濾波器的原理圖。

發(fā)夾式濾波器的轉(zhuǎn)折部分表示成子電路（“U”型符號），它包括直的傳輸線部分以及轉(zhuǎn)彎的連接部分。由于沒有為濾波器指定屏蔽區(qū)域，所有的輻射效應都應被納入考慮的范圍。Harmonica和Ensemble兩個模擬器都是這樣做的?；倪x擇了Rogers TMM-4。它的相關規(guī)格祥見表2。

表2 Rogers TMM-4基材規(guī)格

濾波器的尺寸經(jīng)過優(yōu)化，以實現(xiàn)需要的帶通波段。由于MCPL元件能夠模擬任意的線寬和線距組合，通過優(yōu)化參數(shù)，我們保留了濾波器的對稱性設計。

濾波器制作
濾波器在Harmonica中經(jīng)過了再三優(yōu)化之后，其拓撲結(jié)構(gòu)就可以被輸出成設計圖樣。Serenade的桌面菜單中包含了一項S2A布線工具，打開它之后，它會自動根據(jù)之前的原理圖生成設計圖。

圖2 由Serenade圖案設計軟件生成的設計圖.

隨后，利用S2A，我們可以生成一個DXF文件。這個文件被導入到LPKF CircuitCAM中，經(jīng)過簡單處理之后，生成雕刻機應用軟件LPKF BoardMaster能夠識別的加工文件。CircuitCAM是用來在導線間生成絕緣溝道，同時對設計圖進行檢查和編輯的工具。圖3展示了CircuitCAM的處理結(jié)果。最終的設計圖樣被輸入到LPKF ProtoMat 95s系統(tǒng)中（圖4），準備加工。

圖3 LPKF的CircuitCAM程序生成的切割軌跡

除了能輸出DXF文件，S2A還能輸出一個Ansoft 中性文件集（ANFS），用來在Ensemble中產(chǎn)生一個濾波器設計工程。圖5顯示了一個假色的抓圖，該圖表示在2.6GHz時，該濾波器的射頻電流強度在Ensemble中的模擬結(jié)果。

圖4 LPKF ProtoMat® 95直接從CAD數(shù)據(jù)雕刻電路板。

濾波器測量
濾波器制作完成后，SMA連接器被焊接到它上面。圖六表示在最終測量中使用的濾波器樣品。我們利用HP 8510B網(wǎng)絡分析儀測量了濾波器的插損和回損。Serenade能夠通過GPIB/HPIB接口，從各種各樣的網(wǎng)絡分析儀直接下載和保存S參數(shù)。

圖5 Ensemble中的濾波器模型。

數(shù)據(jù)比較
圖6 表示插損和回損的實測數(shù)據(jù)與Harmmonica和Ensemble模擬結(jié)果的比較。對于一個一次通過的樣品來說，這樣的結(jié)果可以說符合得非常好了。表3總結(jié)了三個數(shù)據(jù)集相應的3dB點，帶寬以及中心頻率的值。

圖6 濾波器樣品照片。

表3 總結(jié)了三個數(shù)據(jù)集中的濾波器的頻率特性。我們注意到，中心頻率值都在2.600GHz的±1%以內(nèi)。

總結(jié)
本文討論了一個2.6GHz微帶發(fā)夾式濾波器的設計以及驗證。使用兩種同樣來自Ansoft公司的模擬器對設計進行了模擬計算。一種是Serenade設計環(huán)境中的Harmonica模擬器；另一種是Ensemble 2.5D 電磁模擬器。我們把來自這兩種模擬器的模擬值與樣品的實測值進行了比較。設計圖由S2A布線工具生成，并被導出成DXF文件；LPKF公司的CircuitCAM對DXF文件進行編輯和處理后，將最終加工文件導出到LPKF BoardMaster；Protomat 95s系統(tǒng)根據(jù)該文件自動完成樣品的加工。插損和回損的兩個模擬結(jié)果和實測結(jié)果都進行了比較，彼此有很好的符合度。