微波笔记·悬置线高通滤波器设计

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高通滤波器在滤波电路中占据了重要的地位，它和低通滤波器配合可以构成超宽带滤波器，也可以构成通带相接的频率分配器，超宽带的吸收式滤波器也需要采用这个器件。其他结构的滤波器在课本和网站上均能找到大量的参考资料，但宽带的高通滤波器很少见到简单高效的设计方法，这里用一个2GHz超宽带高通滤波器实例来说明悬置线高通滤波器的设计原理和方法。

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1、高通滤波器的常见类型

常见的高通滤波器有下面几种类型，见图1所示：

· 分布参数并联短路短截线型：

《Microstrip Filters for RF/Microwave Applications》有详细原理介绍

· 半集总参数型（悬置线高通/叉指电容等）

有效文章较少，本文重点介绍

· 宽带带通型（交指等带通宽带结构）

可参考带通滤波器设计方法

· 波导型（波导天然是高通）

图1、常见高通滤波器结构

2、悬置线高通滤波器的设计挑战及对策

1)、悬置线高通滤波器的设计挑战

悬置线高通滤波器属于半集总参数滤波器，在所有形式的高通滤波器中，这种结构可以实现最高的带宽，可高达20倍频程。

一个典型的高通电路见图2所示，把理想的LC原型转换为实际物理结构时，并联短路电感可以用一节传输线准确表示，但是如何准确的表示串联电容对于悬置线高通滤波器设计来说是一个挑战。该文章的核心也在于此。

图2、典型高通原型及实际模型

2)、悬置线高通滤波器的设计对策

第一次做悬置线高通滤波器时，我尝试采用了下面几种方法，这些方法也是一般情况从业人员下意识能够想到的。

· 平板电容法计算悬置线串联电容尺寸

· 单独仿真电容结构，参数提取出电容值

这些方法虽然笨拙，但经过多次的迭代也能把该滤波器设计出来。

为了获得一种简介高效的模型，通过文献阅读，最后发现解决办法就在最基础的传输线理论上，见图3所示。悬置线的串联电容是一个耦合微带线，描述耦合微带线的模型可以准确的描述该结构。当我们设计高通滤波器时，通过图3的等效原理可以计算出所需耦合线的奇模阻抗和长度，通过奇模阻抗我们可以确定耦合微带线的尺寸。同时偶模阻抗对滤波器性能的影响也可以通过电路仿真提前识别出来。

如果对滤波器设计感兴趣，建议认真学习并理解耦合线的模型。推荐书目《现代滤波器结构与设计》或《微带电路》。

图3、串联电容的准确描述模型

3、悬置线高通滤波器的设计

1)、设计步骤

悬置线高通滤波器遵循下列步骤：

a)、指标分析，根据传输线的周期性以及滤波器其他要求计算选择合理结构
b)、ADS中利用耦合线建立高通模型，获取准确的三维电磁仿真模型
c)、Sonnet或者HFSS中电磁仿真，验证优化模型

2)、设计实例

a)、指标分析，选择合理结构

通常情况下需要分析带宽，体积，功率容量，滤波器阶数，是否需要带外零点，以选择合适的结构和尺寸。这里由于作为方法讲解，就选择一个相对简单模型，略去指标分析步骤。

b) 、ADS中建立高通模型，获取准确的三维电磁仿真模型

根据第2节分析，串联电容C=1/2*Yotanθ，可以确定出耦合微带线的基本尺寸。由于个人习惯在ADS中采用优化方法，这里不做详细计算，感兴趣可以自行推导。根据个人习惯悬置线的基本参数见表格1所示。详细计算见图4所示

表格1、悬置线的关键物理尺寸

物理 尺寸	上下空气腔体高	介质厚度	介电常数	耦合微带线宽	并联电感最细线条
	1mm	0.127mm	2.94	2mm	0.2mm
	3mm耦合线参数				并联最高阻抗
理论 数据	Ze	Ke	Zo	Ko	ZH	Kh
	114.54	1.03	6.18	2.71	155	1.03

图4、关键尺寸的计算

通过上面的关键参数获取，在ADS中建立图5所示的悬置线高通模型，通过调谐和优化各传输线长度，使该模型达到理论响应。

图5、ADS中悬置线高通模型

c)、Sonnet电磁仿真验证

根据上述电路仿真，获得各耦合传输线及并联短路传输线的实际物理尺寸，在sonnet中建立图6所示的高通模型，通过一次仿真结果见图6所示。

图6、电磁仿真验证及一次仿真结果

通过仿真可以看到，电磁仿真结果同理论设计非常接近，证明了该设计方法的正确性。但电磁仿真驻波较差，主要是下面几个因素没有在模型中表达：

· 串联电容和并联电感的T型结没有在电路模型中表达，追求完美的朋友可以通过S3P文件表述T型结；
· 串联电容的边缘电容没有表达，同样可以通过S3P文件表达；
· 并联短路短截线间存在互相耦合，该耦合没有在电路中表达，限于篇幅，此问题将在后续专门通过一篇文章描述。

实践证明在并联短路短截线超过0.5mm间隙时，只用将T型结及边缘电容表述清楚后电路模型就会足够准确。

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