高通濾波器在濾波電路中占據(jù)了重要的地位，它和低通濾波器配合可以構(gòu)成超寬帶濾波器，也可以構(gòu)成通帶相接的頻率分配器，超寬帶的吸收式濾波器也需要采用這個器件。其他結(jié)構(gòu)的濾波器在課本和網(wǎng)站上均能找到大量的參考資料，但寬帶的高通濾波器很少見到簡單高效的設(shè)計方法，這里用一個2GHz超寬帶高通濾波器實例來說明懸置線高通濾波器的設(shè)計原理和方法。

1、高通濾波器的常見類型

常見的高通濾波器有下面幾種類型，見圖1所示：

· 分布參數(shù)并聯(lián)短路短截線型：

《Microstrip Filters for RF/Microwave Applications》有詳細(xì)原理介紹

· 半集總參數(shù)型（懸置線高通/叉指電容等）

有效文章較少，本文重點介紹

· 寬帶帶通型（交指等帶通寬帶結(jié)構(gòu)）

可參考帶通濾波器設(shè)計方法

· 波導(dǎo)型（波導(dǎo)天然是高通）

圖1、常見高通濾波器結(jié)構(gòu)

2、懸置線高通濾波器的設(shè)計挑戰(zhàn)及對策

1）、懸置線高通濾波器的設(shè)計挑戰(zhàn)

懸置線高通濾波器屬于半集總參數(shù)濾波器，在所有形式的高通濾波器中，這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)最高的帶寬，可高達20倍頻程。

一個典型的高通電路見圖2所示，把理想的LC原型轉(zhuǎn)換為實際物理結(jié)構(gòu)時，并聯(lián)短路電感可以用一節(jié)傳輸線準(zhǔn)確表示，但是如何準(zhǔn)確的表示串聯(lián)電容對于懸置線高通濾波器設(shè)計來說是一個挑戰(zhàn)。該文章的核心也在于此。

圖2、典型高通原型及實際模型

2）、懸置線高通濾波器的設(shè)計對策

第一次做懸置線高通濾波器時，我嘗試采用了下面幾種方法，這些方法也是一般情況從業(yè)人員下意識能夠想到的。

· 平板電容法計算懸置線串聯(lián)電容尺寸

· 單獨仿真電容結(jié)構(gòu)，參數(shù)提取出電容值

這些方法雖然笨拙，但經(jīng)過多次的迭代也能把該濾波器設(shè)計出來。

為了獲得一種簡介高效的模型，通過文獻閱讀，最后發(fā)現(xiàn)解決辦法就在最基礎(chǔ)的傳輸線理論上，見圖3所示。懸置線的串聯(lián)電容是一個耦合微帶線，描述耦合微帶線的模型可以準(zhǔn)確的描述該結(jié)構(gòu)。當(dāng)我們設(shè)計高通濾波器時，通過圖3的等效原理可以計算出所需耦合線的奇模阻抗和長度，通過奇模阻抗我們可以確定耦合微帶線的尺寸。同時偶模阻抗對濾波器性能的影響也可以通過電路仿真提前識別出來。

如果對濾波器設(shè)計感興趣，建議認(rèn)真學(xué)習(xí)并理解耦合線的模型。推薦書目《現(xiàn)代濾波器結(jié)構(gòu)與設(shè)計》或《微帶電路》。

圖3、串聯(lián)電容的準(zhǔn)確描述模型

3、懸置線高通濾波器的設(shè)計

1）、設(shè)計步驟

懸置線高通濾波器遵循下列步驟：

a）、指標(biāo)分析，根據(jù)傳輸線的周期性以及濾波器其他要求計算選擇合理結(jié)構(gòu)

b）、ADS中利用耦合線建立高通模型，獲取準(zhǔn)確的三維電磁仿真模型

c）、Sonnet或者HFSS中電磁仿真，驗證優(yōu)化模型

2）、設(shè)計實例

a）、指標(biāo)分析，選擇合理結(jié)構(gòu)

通常情況下需要分析帶寬，體積，功率容量，濾波器階數(shù)，是否需要帶外零點，以選擇合適的結(jié)構(gòu)和尺寸。這里由于作為方法講解，就選擇一個相對簡單模型，略去指標(biāo)分析步驟。

b） 、ADS中建立高通模型，獲取準(zhǔn)確的三維電磁仿真模型

根據(jù)第2節(jié)分析，串聯(lián)電容C=1/2*Yotanθ，可以確定出耦合微帶線的基本尺寸。由于個人習(xí)慣在ADS中采用優(yōu)化方法，這里不做詳細(xì)計算，感興趣可以自行推導(dǎo)。根據(jù)個人習(xí)慣懸置線的基本參數(shù)見表格1所示。詳細(xì)計算見圖4所示

表格1、懸置線的關(guān)鍵物理尺寸

物理

尺寸上下空氣腔體高介質(zhì)厚度介電常數(shù)耦合微帶線寬并聯(lián)電感最細(xì)線條

1mm0.127mm2.942mm0.2mm

3mm耦合線參數(shù)并聯(lián)最高阻抗

理論

數(shù)據(jù)ZeKeZoKoZHKh

114.541.036.182.711551.03

圖4、關(guān)鍵尺寸的計算

通過上面的關(guān)鍵參數(shù)獲取，在ADS中建立圖5所示的懸置線高通模型，通過調(diào)諧和優(yōu)化各傳輸線長度，使該模型達到理論響應(yīng)。

圖5、ADS中懸置線高通模型

c）、Sonnet電磁仿真驗證

根據(jù)上述電路仿真，獲得各耦合傳輸線及并聯(lián)短路傳輸線的實際物理尺寸，在sonnet中建立圖6所示的高通模型，通過一次仿真結(jié)果見圖6所示。

圖6、電磁仿真驗證及一次仿真結(jié)果

通過仿真可以看到，電磁仿真結(jié)果同理論設(shè)計非常接近，證明了該設(shè)計方法的正確性。但電磁仿真駐波較差，主要是下面幾個因素沒有在模型中表達：

· 串聯(lián)電容和并聯(lián)電感的T型結(jié)沒有在電路模型中表達，追求完美的朋友可以通過S3P文件表述T型結(jié)；

· 串聯(lián)電容的邊緣電容沒有表達，同樣可以通過S3P文件表達；

· 并聯(lián)短路短截線間存在互相耦合，該耦合沒有在電路中表達，限于篇幅，此問題將在后續(xù)專門通過一篇文章描述。

實踐證明在并聯(lián)短路短截線超過0.5mm間隙時，只用將T型結(jié)及邊緣電容表述清楚后電路模型就會足夠準(zhǔn)確。