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使用CAD软件和EDA工具设计一种2.6GHz带宽的微带发夹滤波器

设计软件和机械制样的完美结合

By Luigi Greco, Ansoft Corporation
and Stephan Schmidt, LPKF Laser and Electronics

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。


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。


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。


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。


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。


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。


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。


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。


图6 滤波器样品照片。



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。

致谢

在本文完成过程中,作者得到了Michael Ford (LPKF), Gregg Albrecht (Motorola), Aron Kain and Rao Gudimetla (Ansoft)等人的协助,特此感谢。

作者信息

在1987年,Luigi Greco获得了Fordham大学的物理学学士学位;1990年,获得了科罗拉多矿物学校物理学硕士学位;1994年,获得科罗拉多矿物学校材料学博士学位。在科罗拉多矿物学校期间,他的研究领域主要包括高温超导材料以及铝镓砷化合物。从1994年到1997年,他为MicroSignals公司工作,主要涉及射频元件设计和制造;同时,在Fordham大学,对环形激光用的高反射多层砷化镓镜进行计算机建模。在1997年,他作为Serenade设计平台电路和系统模拟器的高级应用工程师加入了Ansoft公司,和客户一起设计无线电路和系统。他还参与了产品应用笔记的制作以及Serenade新的电路和系统模拟模型的开发。

Stephan Schmidt在1994年获得了德国汉诺威技术大学的电子测试与测量学位。1984年,他加入了总部位于德国Garbsen的LPKF激光电子股份有限公司。1994年,他开始了快速样品电路板制作系统的国际技术支持和销售工作,主要面向微波和射频应用领域。从1999至今,他是LPKF激光电子北美地区的总经理。


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