1 前 言

　　當(dāng)今的微波設(shè) 計(jì)師依賴許多工具來制作高效的電路和系統(tǒng)。他們要利用已有的參考資料和強(qiáng)大的EDA工具和電磁（EM）分析工具，還必須結(jié)合自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行制作。這 些工作終需要通過制作電路和測試完成的電路來實(shí)現(xiàn)。這篇文章描述了兩個(gè)微帶電路設(shè)計(jì)是如何使用各種不同工具開發(fā)，用電路板銑制設(shè)備快速制作，然后經(jīng)過測 量來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的正確性。

　　樣例中的設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的帶寬3.7到4.2GHz的發(fā)夾型濾波器和一個(gè)1到8GHz的定向耦合器，使用Schi

　　ffman鋸齒技術(shù)減小尺寸。發(fā)夾型濾波器用Agilent ADS1.3軟件設(shè)計(jì)和仿真，用Sonnet Lite軟件進(jìn)行平面EM分析。耦合器運(yùn)用了基于設(shè)計(jì)規(guī)則的變換，有一個(gè)現(xiàn)存的階梯線形式的耦合器設(shè)計(jì)來啟動(dòng)。

　　兩個(gè)電路都是用LPKF光電股份有限公司的Protomat C100HF型設(shè)備制作出來的，使用HP（Agilent） 8753E網(wǎng)絡(luò)分析儀獲得測量結(jié)果。

　　2 設(shè)計(jì)樣例 3.7到4.2GHz的發(fā)夾型濾波器

　　2.1 設(shè)計(jì)

　　這個(gè)濾波器設(shè)計(jì)用于在3.7到4.2GHz的帶寬上獲得一個(gè)平坦的響應(yīng)。插入損耗和回波損耗在此頻段優(yōu)于16dB.這個(gè)濾波器用在下變頻器輸入端進(jìn)行鏡頻抑制。該設(shè)計(jì)選用一個(gè)典型的發(fā)夾型濾波器，它將能滿足設(shè)計(jì)要求的性能和尺寸。

　　濾波器由ADS1.3設(shè)計(jì)，圖1是結(jié)果圖樣。當(dāng)然，這是一個(gè)熟悉的發(fā)夾型結(jié)構(gòu)。濾波器占用的面積約為500 x 1200 mils （0.5 x 1.2 in.），包括用來保持恒定邏輯屬性的發(fā)夾循環(huán)所需的足夠面積。

濾波器由ADS1.3設(shè)計(jì)結(jié)果圖樣

　　圖2是在ADS中的設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)。這個(gè)拓?fù)湫问侵行膶?duì)稱的，所以設(shè)計(jì)成兩段，由一個(gè)“背靠背”結(jié)構(gòu)連接。由于數(shù)學(xué)方面上的結(jié)構(gòu)尺寸減小，計(jì)算時(shí)間被大大縮減。

　　ADS中的設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)

　　圖2,在ADS中的設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)。濾波器以兩個(gè)鏡像的圖形塊進(jìn)行仿真，以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)

　　建立優(yōu)化來獲得在通帶3.55至4.4GHz的16dB的回波損耗，在3.2GHz以下和4.7GHz以上28dB的阻帶衰減。優(yōu)化的頻率范圍是3.0-5.0GHz.更寬范圍不要求獲得預(yù)想的結(jié)果。

　　對(duì)終設(shè)計(jì)的ADS仿真定義

　　圖3,對(duì)終設(shè)計(jì)的ADS仿真定義。仿真性能和濾波器圖樣都出自于這里的數(shù)據(jù)

　　圖3顯示了每一個(gè)“半濾波器”的ADS終設(shè)計(jì)，包括端口、微帶線、T形、彎曲和短凸形。注意短凸形的末端的0.1pF電容，說明具有末端效應(yīng)（邊緣電容）。圖1的也有它們的顯示。

　　仿真結(jié)果

　　圖4,仿真結(jié)果。

　　（a）全程響應(yīng)；（b）通帶響應(yīng)和插入損耗；（c）回波損耗；（d）Smith阻抗圖

　　圖4是模型化的性能顯示。包括通帶、阻帶特性、回波損耗結(jié)果以及輸入/輸出阻抗的Smith圖。這些圖表說明ADS模型滿足濾波器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.2 EM分析

　　圖5是濾波器尺寸的詳圖。設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)使用Sonnet軟件公司的Sonnet Lite平面電磁場軟件進(jìn)行電路分析。

　　圖5,濾波器的詳細(xì)尺寸。

　　圖6是EM分析結(jié)果。通帶的響應(yīng)比ADS預(yù)期的稍稍窄一些，但是如果制作出來的電路性能滿足分析的話，仍將覆蓋3.7到4.2GHz的帶寬。通帶的平坦性 非常接近ADS模型。回波損耗的響應(yīng)在通帶上比ADS仿真的對(duì)稱性稍差一些。但仍能保持16dB或更好。

　　2.3 制作一個(gè)測試濾波器

　　為了比較發(fā)夾型濾波器設(shè)計(jì)模型和現(xiàn)實(shí)副本的性能，就要用電路板刻制機(jī)在一塊典型的微波基板上制作一個(gè)測試濾波器。（使用LPKF光電股份有限公司的Protomat C100HF型設(shè)備，參見副文）

　　用ADS的設(shè)計(jì)圖樣數(shù)據(jù)（圖1）生成刻制機(jī)必要的驅(qū)動(dòng)文件。圖形的尺寸直接由ADS導(dǎo)入LPKF軟件。圖7是電路板的制作圖樣。

　　2.4 測試性能

　　電路板按照設(shè)計(jì)圖樣銑制出來，安裝了連接器后，經(jīng)由HP 8753E網(wǎng)絡(luò)分析儀測試。圖8是濾波器樣品電路板的性能（S21）和回波損耗（S11），圖表中每小格代表5dB,顯示了在整個(gè)通帶及阻帶的性能狀況，達(dá)到-45dB.

　　濾波器樣品電路板的性能

　　圖9和圖8一樣，只是通帶以每小格1dB來顯示通帶的平坦性。回波損耗仍然以每小格5dB顯示。

　　測試顯示與模型非常一致。通帶比ADS預(yù)期的稍微窄一些，但是比Sonnet Lite分析指示的量稍微小一些。三種模型方式及其測量都指出插入損耗和通帶平坦性上的一致。

　　雖然在這三種模型和測量數(shù)據(jù)中回波損耗的圖形有所不同，但每一個(gè)都保證了預(yù)期的16dB的指標(biāo)，明顯地展示了一個(gè)多極濾波器響應(yīng)所預(yù)期應(yīng)有的“弓形”.

　　3 設(shè)計(jì)樣例 一個(gè)尺寸精簡的階梯線定向耦合器

　　3.1 設(shè)計(jì)

　　我們要考察的另一個(gè)電路是用經(jīng)驗(yàn)技術(shù)開發(fā)的。我們想研究采用Schiffman技術(shù)減小電路尺寸的方法。這種技術(shù)是使用一種鋸齒圖樣來減少機(jī)械尺寸以滿足所要求的電氣尺寸。

　　啟動(dòng)點(diǎn)選用了一個(gè)已有的1至8GHz的階梯線耦合器，由CAP Wireless公司的Paul Daughenbaugh設(shè)計(jì)。這一設(shè)計(jì)被轉(zhuǎn)換成刻制機(jī)制造用的圖樣，如圖10.這個(gè)圖實(shí)際顯示了耦合器的另一種版本，但是清晰地展示了這種技術(shù)。

　　用一種經(jīng)驗(yàn)性的方法從直段耦合器設(shè)計(jì)中來獲得新耦合器的設(shè)計(jì)圖案，按照如下的規(guī)則：

　　●緊密間隙段--鋸齒路徑的總長度與這段的直線部分長度做成一樣。這樣削減了這部分長度的將近一半。在直線部分“互鎖”的牙齒間仍然保持有空間，可以與鋸齒邊呈直角的方式來測量間隙的大小。

　　●寬間隙段--第三段的線間距根據(jù)牙齒的中間高度計(jì)

　　算出來。在這個(gè)寬間距下，假設(shè)按照平均間隙場可以進(jìn)行耦合，而不是沿著段的路徑進(jìn)行耦合。同樣，這一段的尺寸削減更少。為了簡化，采用了與原來直線段部分一樣的長度。

　　●中間段--中間段的間隙和尺寸削減根據(jù)段和第三段幾何平均值計(jì)算得來。

　　這個(gè)“猜想”的方式是必要的，因?yàn)椴豢赡苡矛F(xiàn)有的軟件工具分析這種結(jié)構(gòu)。用Sonnet Lite分析太過復(fù)雜，其他分析工具根本不能用。

　　3.2 耦合器性能

　　耦合器用LPKF的刻制機(jī)器制作出來后，要評(píng)估耦合等級(jí)和在1至8GHz的頻段內(nèi)的指向性。圖11中的耦合端口傳輸信號(hào)是一條光滑的線。圖表中部的水平線 是-18dB,網(wǎng)格的每小格是2dB.在測量的頻率范圍內(nèi)耦合為-19dB±1.5dB.同一圖中，輸入的回波損耗以每小格5dB繪制，從頂部數(shù)第二條線 是0dB參考。在頻率處回波損耗，是16dB.

　　耦合端口傳輸信號(hào)是一條光滑的線

　　反向的耦合繪制圖

　　反向的耦合繪制圖在圖12中，包括輸出端口回波損耗。兩個(gè)圖中每小格都是5dB.對(duì)于反向耦合，中部線-18dB是參考，耦合為-28dB或更好，位于高 頻端。輸出端口回波損耗采用與圖11中的輸入回波損耗一樣的方法繪制，同樣也在1GHz處性能差，為16dB.

　　全程內(nèi)的指向性（正向耦合減去反向耦合）為10dB,位于波段的極高端。設(shè)計(jì)目標(biāo)是高于10dB,達(dá)到12dB就可以留出額外空間。絕大部分波段內(nèi)都能留出這個(gè)余量，我們就認(rèn)為是一個(gè)初始試驗(yàn)的極好結(jié)果。

　　圖13是插入損耗，1GHz下為0.25dB,6GHz處差為0.57dB.在1至8GHz的整個(gè)頻段內(nèi)插入損耗的變化只有0.33dB.

　　4 制作完成的微帶電路板

　　這種快速地制作樣品電路板方法使得制作過程可以按照指定的設(shè)計(jì)而改變。對(duì)于直接耦合器，要達(dá)到預(yù)期的性能，我們準(zhǔn)備了可能的幾個(gè)設(shè)計(jì)反復(fù)。幸運(yùn)的是（也是在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的合理猜想），個(gè)試驗(yàn)就得到一個(gè)完好的耦合器。

　　圖14和圖15中的照片展示了銑制好的電路板，以及用于測試的連接器。圖14中的發(fā)夾型耦合器甚至有一個(gè)小碎片焊接在其中一個(gè)微帶線的一段間隙上。這是由于設(shè)計(jì)文件的一個(gè)小失誤引起的，致使在銑制電路板時(shí)，那個(gè)間隙被明顯地銑制出來。

　　耦合器設(shè)計(jì)也可進(jìn)行修改以改進(jìn)低端回波損耗或使耦合響應(yīng)平坦化。而如果讓外部傳統(tǒng)的電路板廠制作，這樣的小的更改可能不會(huì)被理會(huì)。由于環(huán)保法規(guī)的要求，化 學(xué)藥品處理過程的復(fù)雜性和成本顯著增加，尤其在加利福尼亞，絕大多數(shù)公司不再保留室內(nèi)電路板蝕刻實(shí)驗(yàn)室。

　　為了制作這些濾波器和耦合器電路，我們綜合了許多設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)、資料數(shù)據(jù)、電路理論仿真、EM分析以及的制作和測量手段。整個(gè)設(shè)計(jì)的成功使用了不 同的設(shè)計(jì)資源，從理論設(shè)計(jì)、分析到微帶電路的實(shí)現(xiàn)。能迅速的完成這一過程，制作工具--電路板刻制機(jī)是不可或缺的。