40纳米工艺的微波宽带带通滤波器的设计(2)

当前，微波雷达的主要使用23 24，60 61，76 77 GHz 这3 个频段，这些频段波长为毫米波数量级，故也被叫做毫米波雷达。汽车的辅助驾驶和ACC自适应雷达巡航控制系统上经常安装雷达传感器，采用雷达传感器与汽车的其他制动设备相互结合，能够更加有效的抑制交通碰撞事故的产生。在国外，这项技术应用比较成熟，但是国内在这方面起步较晚，相对有些落后。带通滤波器作为车载雷达上的重要器件，［2］

它的好坏直接影响车载雷达的品质。

1.2 本课题的发展现状及优缺点

就目前来说，虽然说宽带滤波器的研究理论已经日趋深入，但是对于绝大所述宽

带滤波器而言仍然以窄带滤波器为背景设计。由于这种方法会产生大量的计算，所以不被现在滤波器的设计者所接受。目前，宽带滤波器的设计方法一般有两点，第一种是对原有的传统的带通滤波器进行改进，通过数学的相关理论来简化公式，同时在降低某些设计要求的情况下增加带宽和带外抑制度；另一方法就是探究新的设计带通滤波器的形式[3]。期望从源头出发来解决带通滤波器问题，从而能够设计出具有更好性能的满足设计要求的宽带带通滤波器。目前使用的带通滤波器，大多数是以耦合线段进行设计的，但是这种设计的公式较为繁琐，同时对于初学者来说不易掌握。所以本设计在总结了前人的理论后进行大胆的创新。

通过翻阅论文和相关的文献，在2011年杭州电子科技大学的吴国峰等人提出一

种《0. 18 um CMOS 毫米波带通滤波器的设计》[4]如图1-1所示。他们利用简单的并联谐振电路和串联谐振电路的方式设计出了一个中心频率为30GHz，频带宽度从20GHz到40GHz的宽带带通滤波器件。这种方法满足了现在集成电路的需要，面积约为0.93mm 0.64mm。但是通过原理图仿真，观察S21和频率之间的关系图，虽然在图形上满足了中心频率和带宽的要求，但是其阻带衰减非常的小，不能很好地实现滤波功能。本论文考虑到这种滤波器的缺点，对其进行修改。

图1-1 ：S参数与频率的关系

2 微波技术的基础知识

2.1 微波网络

如图2-1所示

AC

2-1：滤波器特性示意图

滤波器作为一种具有两个端口的滤波器件，它有较好的选择滤波的性能，即能够使某些频率频段的波顺利通过，抑制其他频率段的波。在微波工程的许多方面，构成滤波器件的基本结构是滤波网络，在许多微波系统和设备中，网络被用作选择或者分离不同波频段的信号。尽管，对集成电路的仿真，构成滤波器的微带线的物理尺寸在不断的减小，但是从根本上讲，它的网络拓扑结构是恒定不变的。研究和设计微波器件经常用到的方法就是微波网络，可以根据微波元件的结构特点，推出反向等效电路，进一步能够得出它的工作特点，这被称为微波网络的分析。我们能够根据微波元件的工作特点，综合得出该微波器件集总参数下的元件电路图，从而可以用微波结构来代替它。这就是微波网络的综合。对于现在从事微波工程技术人员的来说微波网络的分析和综合是他们必须掌握的一些基本设计滤波器件的方法

2.2 S参量在滤波器中的应用

2.2.1 S参量的基础知识

在微波电路上测量端口电压和电流变得会非常困难，而端口电压和电流又是微波电路设计中必须考虑的参量。这就要需要引入散射矩阵的概念。与N端口网络的阻抗和导纳矩阵相仿。通俗来讲来，阻抗和导纳矩阵能够将端口的电压和电流关联在一起，然而散射矩阵可以把入射到端口的电压波和来自端口的反射波关联在一起 [5]。这里我们设定两端口的特征阻抗均为Z0。

如图2-2所示，这个图直观的表明了双端口网络的基本结构：

图2-2：双端口网络的基本结构

从图上我们很容易得到端口电压与散射矩阵的关系如下：

an

bn 1 Vn Z0In 2Z01（2-1）

2Z0（2-2） Vn Z0In

由（2-1）与（2-2），经过变换，可得到电压、电流关系式：

Vn Z0 an bn （2-3） In

1Z0 an bn （2-4）

在微波电路中讨论电压和电流是没有什么确切的意义的，这是由于在微波系统中

没有真正的恒压源和恒流源的缘故。除了这样情况以外，这三种网络参数的测量要求终端短路或者开路，给测量带来了难度，这在微波频率下：

b1 S11S12 a1 （2-5） b S a S22 2 2 21

Sii表征的是当所有的端口通过上述的论断，我们可以发现散射矩阵的物理意义，

接匹配负载时，向i端口看过去的反射系数，Sij表示当所有的端口接匹配负载时，从j端口到i端口的传输系数。

在本论文中所讨论的带通滤波器，既是互易网络同时也是对称网络。根据互易网

络和对称网络的性质，我们可以得到如下的结论：

对于互易网络：S12=S21；

对于对称网络：S11=S22；

2.3 微带线

2.3.1 终端短路和终端开路微带线

微波电路的设计和传输线的基本理论息息相关。传输线的基本结构图形，如图

2-3所示

IEGz=0d=0

图2-3：传输线的端接条件

结合传输线理论借助传输线方程，不难推导其终端条件解： I(d) VL ch d ILsh d （2-6）Z0

V (d) VLch d ILZ0sh d （2-7）

由2-8和2-9公式已得到：

V（d）

I(d)

Z jZotanh( L)ZoLZo jZLtanh( L)Zin （2-8）

对于有损耗的传输线来说，它的特征阻抗和传播常数一般是负值。在实际情况中，由于传输线本身的损耗还是比较小的，所以一般来讲不考虑损耗的影响。亦即 0， j 。上式可以改写为常用的公式：

Zin Z0 ZL Z0 e ZL Z0 eZL Z0ej ZL Z0e j j j

（2-9）

Zcos jZ0sin Z0LZ0cos jZLsin Z0ZL jZ0tan Z0 jZLtan

通过上面的叙述可以知道，运用传输线的某些情况，可以把传输作为电路的一部

分，例如阻抗匹配或者取代某些集总元件的电感或者电容。

本设计就是运用了微带线负载短路和负载开路的特点，来设计并联谐振电路的，这些理论我们将在下文中讨论：

当负载短路：ZL 0代入(2-11)式，得到

Zin jZ0tan l (2-10) 从公式上不难看出，对于任意长度的终端短路线的输入阻抗为纯虚数，可以取

-j 和 j 之间的所有值，当d 4时，Zin=0，这时，电路可以等效为一个并联谐振电路。当d的长度大于零小于 4时，可以等效为电感。

当负载开路：ZL 代入(2-11)式，得到

Zin jZ0cot l (2-11) 从公式上不难看到，对于任意长度的终端短路线的输入阻抗为纯虚数，可以取

-j 和 j 之间的所有值，当d= 时，Zin=0，这时，电路可以等效为一个串谐振电

路。当d的长度大于零小于 时，可以等效为电感。

当传输线为四分之一波长的传输线：ZL ZS*， l= 2代入(2-11)式，得到

2.3.2 传输线（ABCD）矩阵

本论文只涉及到单个的双端口网络的应用，所以在下面我们着重分析单个双端口

网络与传输矩阵的关系。如图2-4所示

Z02 Zin ZL (2-12)

图2-4：单个传输矩阵

根据传输矩阵的特点，可以得到总的电流以及总的电压和传输矩阵的关系

V1=AV2+BI2 (2-13)