微波笔记·糖葫芦低通滤波器的设计

2018-04-09 来源:微波射频网作者:赵强 我要评论(0) 字号:

从18年年初开始写技术总结,不知不觉已经到第10篇了。最开始写的初衷是让自己浮躁的内心能够安静下来,通过这种技术交流的方式拓展更多的行业朋友,为自己未来的发展奠定些基础。坚持写了一段时间后就慢慢爱上了总结,通过写作逼着自己把以前模棱两可的认知梳理清楚,自己也从这个过程中获得了新的成长,也交到了很多朋友。

读过前面总结的朋友应该可以发现我所有的总结均是想设法建立一种简单,高效,准确的电路模型来描述微波元器件,通过准确的电路模型来获取精确的三维电磁仿真参数,从而大大缩短设计时间,同时加深对微波器件的认知。

糖葫芦低通滤波器结构简单,插损小,功率容量较高,是同轴线低通的最常见形式。糖葫芦低通的设计方法遵循高低阻抗线低通滤波器的设计原理,参见之前总结的《平面低通滤波器的设计》。但由于糖葫芦低通属于三维结构,糖葫芦低阻抗线的边缘电容无法法忽视,直接使用高低阻抗互联模型给出的高低阻抗线长度尺寸不够准确。这篇文章介绍一种简单准确的糖葫芦低通的设计方法。所有源文件见:链接:https://pan.baidu.com/s/1Dtuw-yEpk_u6PvhXkTZ5WQ 密码:hwh7

1、糖葫芦低通的设计挑战及对策

1)、糖葫芦低通的不连续性分析

典型的糖葫芦低通滤波器结构见图 1所示,当频率较低时,由于糖葫芦长度较大,边缘电容相对于低阻抗线的对地电容较小,所以简单的高低阻抗级联模型就可以准确表达出糖葫芦的三维电磁仿真参数。但当糖葫芦应用到较高频率时,由于尺寸缩小,边缘电容作用逐渐加大,变得不可忽略,如图1所示的简单的高低阻抗级联电路模型变得不准确。所以设计时必须考虑低阻抗线边缘电容的影响。

微波笔记·糖葫芦低通滤波器的设计

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图1、典型的糖葫芦低通结构及原理

最开始分析糖葫芦低通设计时,个人考虑了两个因素影响:

·  边缘电容;

·  糖葫芦间的平板电容耦合

根据这个思路建立了模型仿真,出来的结果频率偏高,但驻波还不错。认真观察了糖葫芦低通滤波器工作时的场型分布图 1所示,发现糖葫芦间只有边缘电容场比较明显,低阻抗间基本没有平板电容场(互相耦合场),分析原因可能是因为低阻抗间用高阻抗线互联,电位相当,形成不了电容(也请大家一起讨论)。然后只考虑边缘电容影响进行建模,取得了比较好的结果。所以糖葫芦低通电路建模时主要考虑如何准确表达边缘电容作用。

2)、边缘电容的获取

边缘电容产生于阶梯不连续处,一般情况下糖葫芦高低阻抗线的尺寸是固定的,可以在设计之初规划好尺寸,阶梯可以在HFSS中建立图 3所示的模型,获取模型的S2P文件,这个两端口文件可以准确的描述高低阻抗级联不连续处的各种效应。然后将S2P文件带入ADS的原理模型即可准确表达糖葫芦低通原理。

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图2、阶梯不连续的表达

2、糖葫芦低通滤波器的设计实例

通过上面的介绍,糖葫芦低通的设计步骤可以分为三步:

·  根据尺寸规划高低阻抗线,仿真出高低阻抗阶梯参数
·  ADS中建立糖葫芦滤波器模型,得出三维仿真的参数
·  HFSS中建立三维仿真模型,验证结果。

1)、尺寸规划,获得不连续阶梯的仿真数据

这里用15GHz的实例为例介绍该滤波器的设计过程,并验证该方法的有效性。个人设定了一个模型参数见表格 1。

表格1、糖葫芦滤波器关键尺寸规划

 同轴外径50内径高阻内径低阻内径低阻2
尺寸4.7mm2mm1mm3.6mm3mm
阻抗 5092.81625

根据表格1的数据建立一个图 2所示的不连续阶梯模型,仿真获得阶梯的S2P文件。

2)、ADS中建立模型,获得糖葫芦关键尺寸数据

根据前面的叙述,在ADS中建立模型见图 4所示,不连续阶梯用第一步仿真的S2P表示,在ADS中调整各参数使电路模型达到所需的理想响应。详细结果见图 3所示。

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图3、ADS糖葫芦模型及仿真结果

3)、HFSS中建立模型,验证设计结果

根据第二步获得结果,在HFSS中建立图 4所示的模型,经过仿真结果非常理想,基本不需要在HFSS中优化,证明了上述ADS中电路模型的正确性。

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图4、三维仿真模型及一次仿真结果

附:

我一直没有弄清楚为什么考虑了低阻抗间的耦合电容后模型反而不准确。我尝试在写这篇文章时弄清楚,但截至发稿日我还是不能解释的非常清楚。在ADS模型中有考虑糖葫芦平板耦合的模型,感兴趣朋友可以根据模型实际操作一次,同时欢迎探讨该模型不准确的原因。

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