40纳米工艺的微波宽带带通滤波器的设计(3)

结合在一起构成一个等效负载。如下图2-6所示，入射波为b1，反射波为a1，等效的

反射系数为: L a1 （2-22） b1

公式中bG表示信号发生器发出的波幅，就是说第一个入射波为bG，其反射波为

bG L,那么第二次入射波的反射波为bG L G，通过多次反射，向发生器方向看过去的反射波总的和为: a1 bG L （2-23） 1 L G

图2-7：信号源端口的反射波

所以可得负载功率的公式为：

PL a1 b122 a11 L2 2 （2-24）

*是阻抗共轭匹配的一种等效方法，这种方法在毫米波电路设计中应用非 L G

常的多。

2.4 滤波器的基本原型

低通原型(Lowpass Prototype Filter)是指经过对源阻抗归一化、对截止频率也归一

化之后的低通滤波器 [8]。源的元件的值是通过源阻抗归一化得到的。在本节中，我们将介绍两种基本的低通滤波器原型，并就其波形特点对两种滤波器进行比较。这两种低通滤波器原型采用插入损耗法设计的。

2.4.1 最大平坦低通滤波器

图2-8是巴特沃兹低通滤波器特性曲线：

图2-8 巴特沃兹低通滤波器特性曲线

数学表达式如（2-25）:

'2n

L' 10lg 1

a ' dB (2-25)

1

（2-25）中 满足关系式（2-26）：

10lg 1 LAr

对应于电路所需级数。

特点：从公式中可以看出 0 处（2n 1）阶时候的倒数为零，

3db所对应的角频率值。

2.4.2 等纹波低通滤波器

等纹波低通滤波器特性曲线（如图2-9所示）：

图2-9切比雪夫低通滤波器特性曲线

数学表达式如（2-28）、（2-29）：

L ' 10lg '

1 cos2

ncos 1

A

' (2-27)

1 ' 1'

(2-26) ,1是波形下降

' 2 1 LA 10lg 1 cosh ncosh (2-28) ' 1 ' ' 1 '

(2-28),(2-29)中 满足关系式(2-30)：

10lg 1 LAr (2-29)

n仍旧是电路里电抗元件的数目。

特点：带内衰减呈波纹特性，但是会得到一个较陡峭的截止响应

'定义为等波纹频带的边缘频率。

2.4.3 两种低通滤波器的优缺点比较

巴特沃兹衰减特性曲线和等纹波特性曲线比较可以看出：

1、在相同的衰减量LAr和电抗元件的数目n的情况下，等纹波滤波器的截止速率

更快。所以常用巴特沃兹低通滤波器原型来设计带通滤波器。

2、如果滤波器中的电抗元件具有较大的损耗，巴特沃兹和等纹波滤波器的铜带

响应形状和理想条件下相比，都有一定的变化，但是相对来讲，等纹波的影响更大一

些。所以在有些有较大损耗的材质中，可以选择最平坦低通滤波器。

2.4.4 微带滤波器的主要参数

（1）中心频率：一般来讲f0=（f1+f2）/2，为中心频率。一般规定为带通滤

波器通带两侧相对下降3dB所对应的频点的值和的一半。

（2）通带带宽：一般有两种定义，一种是指当通带最小插入损耗点向下平移

3dB时所测量到的通带宽度。这种方式是较为经典，但是没有能够考虑到插入损耗，所以在在工程上一般很少使用。另一种是在满足插入损耗的情况下所测量到的带宽，这种测量方法更具有实际意义。

（3）纹波：在通带带宽内，响应的波形的幅度变化。一般要求通带内的纹波越

小越好，这样输出功率更加的稳定，器件的性能也会更好。

（4）带内驻波比：通常将传输线上某一点的电压的最大值除以最小值所得到的

结果叫做带内驻波比。理想情况下如果负载匹配则VSWR=1：1，如果负载失配时

VSWR＞1。但是对于一个实际的滤波器来讲，驻波比滤波器阶数和插损密切相关。

（5）回波损耗：在工程上将任意端口的输入功率除以反射功率的结果叫做回波

损耗[9]。从定义中可以看出回波损耗是和反射系数密切相关的量，所以它也等于

|20Log10ρ|，ρ被称为电压的反射系数。从公式能够可以看到，如果反射系数趋近于

零，那么回波损耗取到最大值。

（6）插入损耗：理想条件下，放在射频电路中的滤波器件是不会引起任何的损

耗的。但是对于实际的滤波器来讲，正如前面所叙述的那样，滤波器身的材质将会引

起一定的电阻损耗，同时由于反射的存在，回波损耗和驻波损耗是无法进行避免的。但是值得注意的是插入损耗在一定程度上是滤波器工作频率的一个瓶颈，对网络端口的阻抗值也有一定的限制。插入损耗的值用功率响应幅度减去0dB基准的差值来衡量的。

3 40纳米工艺的毫米波带通滤波器的设计

微带线的种类非常多，同时微带线的性能上也有所区别，在现代电子系统中，微

带线已经被广泛的应用而且可以说是当今微波电路中必不可少的部件。滤波器因为可以在电路中将通带中的信号保留，抑制其他的信号通过，而成为电子设计中的关键器件。它的好坏直接影响到整个系统的性能和稳定性。在微波领域，微带线将会取代集总参数中的电容和电感，构成分布参数型滤波器。随着集成电路的发展，芯片的制造正向更小面积集成度更大的方向发展。运用微带线设计射频电路，将会是射频集成电路一个重要的发展方向。

3.1 衬底的优化

本设计是基于40nm工艺来做的，但是原理图以及版图的仿真是在ADS上实现

的，ADS对衬底的数目有一定的要求，而且一般来讲，衬底的数目越多，仿真所需要的时间越长，所以减少衬底的数目是必须的。在这里我们只用到了 一层，所以根据数学中的加权平均值的方法，可以减少层数，如图所示3-1所示。

图3-1：简化后的衬底

3.2 设计

3.2.1 设计思想的来源及原设计的缺点

本设计是在40纳米工艺平台上实现的，首先应该考虑的是面积问题。微带线是

用简单的电路来实现复杂的问题，这也是选择微带线的一个重要原因；通过微波基础的学习，可以了解，谐振电路具有滤波的特点。

谐振电路具有选择地让一部分频率信

号通过并且抑制通带外的信号的特点，所以在滤波器、振荡器和匹配电路中多有应用。如果电路的工作频率不是太高，谐振电路一般用集总元件来设计，但是如果电路的工作频率较大，谐振电路通常由各种形式的传输线表现。一般用谐振频率、品质因数、输入阻抗和带宽等描述。通过上一章了解到电容电感可以用短路或者终端开路的微带线代替。所以本论文将并联谐振电路作为滤波结构。如图3-2所示：

=

图3-2： 并联谐振电路等价图

该谐振电路是由一个短截线和一个段接线微带线所组成，我们通过观察该谐振电

路的S11和S21图形如图3-3所示

图3-3：并联谐振电路S11和S21与频率的关系图

并联谐振电路它具有滤波功能，调整滤波器的电长度不难发现随着电长度的变化，可以改变器带宽。通过改变带宽可以得到一个阻带很宽的并联谐振电路。通过观察波形可以看出虽然谐振电路具有滤波功能且插入损耗较小但是其矩形系数较小，阻带抑制度较差，滤波很不理想。

通过看相关的论文，得到了一种改进型的设计，如图3-4所示

图3-4：带通滤波器的改进结构[10]

该带通滤波网络，采用并联谐振和串联谐振网络相结合的方法来进行来利用上 …… 此处隐藏：2465字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……