1. 为什么我选择微带高低阻抗线来做这个滤波器做射频这行十几年滤波器设计算是绕不开的基本功。不管是收发链路前端的预选滤波还是混频器后面的中频滤波你总得在某个位置放一个能把不需要的频率摁下去的电路。早些年我习惯用电感和电容搭集总参数滤波器后来频率往上走到了GHz级别集总元件的寄生参数开始捣乱Q值也不够看焊上去实测和仿真能差出好几个dB那时候才开始认真研究分布参数的东西。微带高低阻抗滤波器就是在这个背景下进入我视野的。它的思路特别朴素一段很窄的微带线特征阻抗很高等效成一个串联电感一段很宽的微带线特征阻抗很低等效成一个并联电容。把这两种线段交替级联就构成了一个低通滤波器。没有过孔没有集总元件纯平面结构加工一致性极好特别适合PCB工艺。我第一次用它做的是一个截止频率2.4GHz的低通用在WiFi模块的功放输出后面抑制谐波实测插损不到0.5dB二次谐波压了30dB以上当时就觉得这东西值得好好整理一套设计流程。这篇文章面向的是有一定ADS基础、但还没系统做过微带滤波器版图联合仿真的朋友。我会从设计指标出发一步步走完原理图设计、参数计算、版图生成、联合仿真、优化迭代的全过程。中间会穿插我踩过的坑和一些教科书上不太会写的实操细节。你跟着走一遍基本就能独立完成一个类似的设计。2. 设计指标与整体方案拆解2.1 先明确我们要做成什么样任何滤波器设计都是从指标开始的。我这次给自己定的目标是一个S波段低通滤波器具体指标如下参数指标要求截止频率2.5 GHz通带插入损耗 1 dBDC~2 GHz阻带衰减 30 dB 4 GHz以上输入输出阻抗50 Ohm基板材料Rogers RO4003C基板厚度0.508 mm导体厚度35 um1oz铜选RO4003C是因为它的介电常数稳定3.55损耗角正切低0.0027在S波段表现很好而且加工工艺成熟。0.508mm的厚度是我常用的一个折中值太薄了导体损耗大太厚了辐射损耗和尺寸都会上去。截止频率2.5GHz意味着通带要覆盖到2GHz以上阻带从4GHz开始算过渡带不算特别陡大概一个倍频程多一点。这个要求用5阶或者7阶的高低阻抗滤波器就能做到不需要上椭圆函数或者交叉耦合那种复杂结构。2.2 为什么选高低阻抗线而不是其他结构微带低通滤波器有好几种实现方式我简单对比一下我考虑过的几个方案。阶梯阻抗线Stepped Impedance也就是高低阻抗线结构最简单设计公式成熟版图规整适合自动化生成。缺点是过渡带不够陡阻带衰减速率有限而且高阻抗线的宽度可能太细导致加工精度问题。耦合线低通用平行耦合线段实现能做出更陡的过渡带但设计复杂度高对间距的加工精度要求苛刻调试起来很痛苦。发夹线或者交指结构更适合带通做低通不太合适。集总参数LC在2.5GHz这个频率集总元件的寄生效应已经开始明显了特别是电感自谐振频率可能就在几个GHz用起来不放心。综合考虑下来高低阻抗线在2.5GHz这个频段是最务实的选择。设计周期短一次成功率也高。而且我后面要做版图联合仿真高低阻抗线的版图非常规整EM仿真收敛快不容易出问题。2.3 滤波器阶数的确定低通滤波器的阶数直接决定了过渡带的陡峭程度和阻带的衰减速率。对于最平坦响应巴特沃斯衰减速率大约是6N dB/倍频程N是阶数。我们的过渡带从2.5GHz到4GHz大约是0.68个倍频程要求衰减从0dB到30dB粗略估算需要N大约为7。但高低阻抗线滤波器有个特点它的实际响应更接近切比雪夫因为高阻抗线和低阻抗线的阻抗比有限等效的LC比值不是任意可取的。我一般会先用巴特沃斯或者切比雪夫的综合公式算出归一化g值然后根据可实现的高低阻抗比来调整阶数。我最终选了7阶也就是7个电感和7个电容交替对应7段高阻抗线和7段低阻抗线实际版图中首尾通常是低阻抗线作为匹配段。这个阶数在2.5GHz下高阻抗线的宽度大约0.2mm低阻抗线大约2.5mm都在常规PCB加工能力范围内。3. 从归一化参数到物理尺寸的完整计算3.1 滤波器综合从指标到g值我用的方法是先查切比雪夫低通原型表。设定通带波纹0.1dB阶数7查表得到归一化元件值g0 1.0源阻抗 g1 1.1812串联电感 g2 1.4228并联电容 g3 2.0966串联电感 g4 1.5733并联电容 g5 2.0966串联电感 g6 1.4228并联电容 g7 1.1812串联电感 g8 1.0负载阻抗这些g值是归一化的对应截止频率1rad/s、源阻抗1Ohm。实际设计需要做频率和阻抗的去归一化。对于低通原型实际电感L和电容C的计算公式是L_k g_k * Z0 / (2 * pi * fc) C_k g_k / (2 * pi * fc * Z0)其中Z050Ohmfc2.5GHz。算几个关键值 L1 1.1812 * 50 / (2 * 3.14159 * 2.5e9) 3.76 nH C2 1.4228 / (2 * 3.14159 * 2.5e9 * 50) 1.81 pF L3 2.0966 * 50 / (2 * 3.14159 * 2.5e9) 6.67 nH C4 1.5733 / (2 * 3.14159 * 2.5e9 * 50) 2.00 pF后面几个对称L5L3C6C2L7L1。这些是集总参数的值接下来要把它们转换成微带线的物理尺寸。3.2 高阻抗线和低阻抗线的阻抗选择高低阻抗线的核心思路是用传输线来近似集总元件。一段特征阻抗为Z_high、电长度为theta的微带线在theta远小于90度时可以近似为一个串联电感L ≈ Z_high * theta / (2 * pi * f)同理一段特征阻抗为Z_low的微带线可以近似为一个并联电容C ≈ theta / (2 * pi * f * Z_low)这里theta是电长度单位是弧度。关键问题是Z_high和Z_low选多少Z_high越高等效电感越大但线宽越细。在RO4003C、0.508mm厚度下100Ohm的线宽大约是0.35mm120Ohm大约是0.2mm150Ohm就细到0.1mm以下了加工精度和功率容量都是问题。我一般把Z_high控制在100~120Ohm。Z_low越低等效电容越大但线宽越宽。20Ohm的线宽大约是2.5mm15Ohm大约4mm。太宽了会占用大量面积而且可能激发高次模。我一般把Z_low控制在20~30Ohm。我最终选了Z_high 110 OhmZ_low 25 Ohm。这个组合的阻抗比是4.4不算特别大但足够实现所需的LC值而且线宽都在舒适加工范围内。3.3 用ADS LineCalc算出物理尺寸打开ADS的LineCalc工具设置基板参数Er 3.55TanD 0.0027H 0.508 mmT 0.035 mmFreq 2.5 GHz然后分别计算110Ohm和25Ohm的线宽和电长度。对于110Ohm线宽W ≈ 0.22 mm电长度90度对应的物理长度 ≈ 21.5 mm对于25Ohm线宽W ≈ 2.3 mm电长度90度对应的物理长度 ≈ 20.8 mm注意高低阻抗线的电长度不是90度而是根据所需的L和C值反算出来的。对于串联电感段theta_L L * 2 * pi * f / Z_high以L13.76nH为例 theta_L1 3.76e-9 * 2 * 3.14159 * 2.5e9 / 110 0.537 rad 30.8度对应的物理长度 l_L1 (30.8/90) * 21.5 7.36 mm对于并联电容段 theta_C C * 2 * pi * f * Z_low以C21.81pF为例 theta_C2 1.81e-12 * 2 * 3.14159 * 2.5e9 * 25 0.711 rad 40.7度对应的物理长度 l_C2 (40.7/90) * 20.8 9.41 mm把所有段都算出来就得到了初始的版图尺寸。这个计算过程我建议用Excel或者Python脚本做因为后面优化的时候要反复迭代手算太慢了。注意这里算出来的长度是理想传输线的长度实际版图中高阻抗线和低阻抗线连接处会有不连续性台阶这个不连续性会引入额外的电感和电容导致实际响应偏离设计值。这就是为什么必须做版图联合仿真。4. ADS原理图设计与版图联合仿真实操4.1 原理图阶段的快速验证在ADS里新建一个Schematic用理想传输线模型TLIN搭出7阶高低阻抗滤波器。每段传输线设置对应的Z和电长度用前面算出的theta值。两端接50Ohm端口做S参数仿真频率范围设DC到10GHz。这个理想模型跑出来的结果应该非常接近理论响应。如果截止频率偏了或者驻波不好说明g值查错了或者计算有误先在这里排查清楚不要急着进版图。我第一版跑出来截止频率在2.45GHz通带插损几乎为零理想模型没有损耗4GHz处衰减32dB基本符合预期。这时候就可以进版图了。4.2 版图生成与Momentum设置ADS有个很方便的功能从Schematic直接生成Layout。但自动生成的版图通常需要手动调整因为高低阻抗线的连接处需要平滑过渡而且馈线要加到两端。我一般手动画版图用Microstrip元件库里的MLIN和MTEE。具体步骤画一条50Ohm的馈线长度5mm作为输入段。接第一段低阻抗线25Ohm宽度2.3mm长度根据计算值。接第一段高阻抗线110Ohm宽度0.22mm长度7.36mm。依次交替最后再接一段50Ohm馈线。所有线段用45度斜角或者阶梯过渡连接避免直角因为直角会引入额外的寄生电容。版图画好后打开Momentum设置仿真参数仿真类型Microwave频率范围DC~10GHz网格密度默认是20 cells/wavelength我一般调到30提高精度基板定义和LineCalc里一致端口在两端馈线末端加端口端口阻抗50OhmMomentum的网格设置是个关键。网格太粗结果不准网格太细仿真时间爆炸。我的经验是对于2.5GHz的滤波器30 cells/wavelength是个不错的平衡点。如果发现S21在阻带里有异常的毛刺可能是网格不够细可以局部加密。4.3 联合仿真Co-Simulation的正确姿势ADS的Co-Simulation功能可以把Momentum的EM结果反标到Schematic里和集总元件或者其他电路一起仿真。但做纯无源滤波器的时候我其实更推荐直接用Momentum的S参数仿真然后把结果导出成S2P文件在Schematic里用Data Item引用。这样做的好处是EM仿真和电路仿真解耦你可以反复调整电路部分而不需要重新跑EM。对于纯滤波器电路部分就是端口和馈线没什么可调的所以直接看Momentum结果就够了。但如果你要在滤波器后面接放大器或者混频器做系统级仿真那就必须用Co-Simulation把EM结果嵌进去。我这次的做法是Momentum跑完看S参数。导出S2P文件。在Schematic里用SNP元件加载S2P做最终验证。4.4 第一次EM仿真的结果分析第一次跑完Momentum结果让我有点意外截止频率掉到了2.2GHz通带插损0.8dB4GHz处衰减只有25dB。和理想模型比截止频率左移了12%阻带衰减也变差了。原因分析高阻抗线和低阻抗线连接处的台阶不连续性引入了额外的串联电感和并联电容等效于增加了滤波器的阶数但也改变了各段的等效值。高阻抗线的宽度只有0.22mm在Momentum的网格下边缘的电流分布可能没有被精确捕捉。馈线和第一段低阻抗线的连接处也有不连续性。这些问题在理想模型里都不存在所以必须做EM仿真才能发现。5. 优化迭代与版图调整5.1 参数扫描找出关键敏感参数ADS的Parameter Sweep功能可以帮你快速定位哪些尺寸对响应影响最大。我把每段高阻抗线的长度和低阻抗线的长度都设成变量然后做扫描。结果发现高阻抗线的长度对截止频率影响最大长度增加10%截止频率下降约8%。低阻抗线的长度对阻带衰减影响较大长度增加10%4GHz处的衰减改善约3dB。线宽的影响相对较小但高阻抗线的宽度对通带插损有影响宽度减小插损增加。这个信息很有用优化的时候优先调高阻抗线的长度来修正截止频率调低阻抗线的长度来改善阻带。5.2 手动调优 vs 自动优化ADS有自动优化功能但我个人不太喜欢用。原因是EM仿真的单次运行时间较长我这个设计大概3分钟一次自动优化动辄要跑几百次时间成本太高。而且自动优化容易陷入局部最优出来的尺寸可能很奇怪加工不了。我的做法是手动调优基于参数扫描的结果有方向地调整。比如截止频率偏低就把所有高阻抗线的长度缩短5%跑一次看结果再微调。一般迭代3到5次就能收敛。具体迭代记录迭代次数高阻抗线长度调整低阻抗线长度调整截止频率4GHz衰减初始基准基准2.2 GHz25 dB第1次-8%5%2.45 GHz28 dB第2次-10%8%2.52 GHz31 dB第3次-10%10%2.50 GHz33 dB第3次的结果已经满足指标了截止频率2.50GHz通带插损0.6dB4GHz衰减33dB。停止迭代。5.3 版图优化减少不连续性的影响除了调长度还可以通过版图技巧来减少不连续性的影响。我做了两个改进第一个改进在高阻抗线和低阻抗线的连接处加一个渐变过渡段而不是直接台阶。渐变段的长度大约是线宽的2到3倍可以平滑电流分布减少反射。第二个改进在低阻抗线的两端切角做成类似“蝴蝶结”的形状。这样可以补偿台阶处的寄生电容改善高频响应。这两个改进让通带插损从0.6dB降到了0.45dB阻带衰减也改善了2dB左右。实操心得版图优化的时候不要一次改太多地方。每次只改一个参数跑一次仿真确认效果后再改下一个。否则出了问题你都不知道是哪个改动导致的。6. 常见问题与排查技巧实录6.1 仿真结果和实测差距大怎么办这是最常见的问题。我遇到过好几次仿真插损0.5dB实测1.5dB的情况。原因通常有这几个基板参数不准。厂家给的Er和TanD是标称值实际批次之间有波动。RO4003C的Er公差是±0.05TanD是±0.0005。如果你的仿真用的是标称值实测偏个5%很正常。解决办法是用厂家提供的实测数据或者自己做传输线测试提取参数。导体厚度和粗糙度。仿真里通常设导体厚度35um但实际铜箔表面是粗糙的会增加导体损耗。高频下这个损耗不可忽略。ADS的Momentum里可以设置表面粗糙度参数我一般设0.5um到1um。焊接和连接器。SMA连接器的焊接质量对插损影响很大。焊锡太多会引入额外的电容焊锡太少接触电阻大。我一般用少量焊锡确保连接器中心针和微带线充分接触就行。加工公差。高阻抗线宽度只有0.22mm加工公差±0.02mm就是10%的误差。这个误差会导致阻抗变化进而影响响应。解决办法是设计时留足够的余量或者选择更高精度的加工工艺。6.2 Momentum仿真不收敛或者结果异常Momentum跑不下去或者结果明显不对通常是这几个原因网格设置不当。网格太粗会导致结果不准太细会导致内存溢出。我一般先用默认设置跑一次看结果是否合理再决定是否加密。端口设置错误。端口必须加在馈线的末端而且端口的宽度要和馈线宽度一致。如果端口宽度不对会引入额外的反射。基板定义错误。检查Er、H、T是否和实际一致。特别是H如果设错了特征阻抗会完全不对。频率范围设置不当。如果频率范围太宽比如DC到20GHzMomentum可能会在高频段出现数值问题。我一般设到截止频率的4倍左右比如2.5GHz的滤波器设到10GHz就够了。6.3 常见问题速查表问题现象可能原因排查方法解决措施截止频率偏移高阻抗线长度不准参数扫描调整长度通带插损大导体损耗、连接器损耗分段测试优化版图、更换连接器阻带衰减不够阶数不够、低阻抗线长度不足增加阶数或调长度重新设计驻波比差端口匹配不好检查馈线加匹配段仿真不收敛网格太细、频率范围太宽降低网格密度调整设置结果有毛刺网格太粗加密网格局部加密6.4 几个容易被忽略的细节馈线的长度。馈线不是越长越好太长了会引入额外的损耗和相移。我一般用5mm左右刚好够焊接SMA连接器。接地过孔。虽然高低阻抗线本身不需要过孔但如果你在滤波器周围加了接地铜皮要确保过孔足够密否则接地不充分会影响性能。我一般每隔1mm放一个过孔。屏蔽罩。如果滤波器要加屏蔽罩罩子的高度和位置会影响响应。我一般建议屏蔽罩距离电路至少3mm以上否则会改变传输线的等效参数。温度稳定性。RO4003C的Er温度系数大约是-40ppm/度在-40到85度范围内截止频率会漂移大约0.5%。如果应用对温度敏感要留足够的余量。7. 从设计到加工的完整检查清单做完仿真优化准备发板加工之前我一般会过一遍这个清单版图尺寸是否在加工能力范围内最小线宽0.22mm最小间距0.2mm常规PCB厂都能做。馈线宽度是否和SMA连接器匹配50Ohm线宽在RO4003C、0.508mm厚度下大约是1.1mm和常规SMA连接器的中心针匹配。接地铜皮是否足够滤波器周围要有完整的接地平面过孔密度要够。是否有测试点如果需要调试可以在关键节点预留测试焊盘。丝印是否清晰标注输入输出方向避免焊反。是否考虑了安装孔如果需要固定在腔体里要预留安装孔。加工回来之后先不要急着焊连接器。先用万用表测一下输入输出是否短路确认没有加工缺陷。然后焊上连接器用矢量网络分析仪测S参数。如果和仿真差距在可接受范围内插损差0.3dB以内截止频率差3%以内就算成功了。如果差距大先检查连接器焊接再检查基板是否有划伤或者污染。实在不行就只能重新设计一版把仿真和实测的偏差补偿进去。8. 一些个人体会高低阻抗线滤波器是我做过的所有滤波器里设计流程最标准化、最容易一次成功的一种。它的物理概念清晰计算过程透明版图规整特别适合刚入门的射频工程师练手。但它的局限性也很明显过渡带不够陡阻带衰减速率有限而且尺寸偏大。如果你的应用对选择性要求很高或者空间受限可能要考虑其他结构。ADS的版图联合仿真功能是我认为做微带电路必须掌握的技能。理想模型和实际版图之间的差距有时候大到让你怀疑人生。只有通过EM仿真你才能看到那些不连续性、寄生效应、辐射损耗的真实影响。我现在的习惯是任何微带电路只要工作频率超过1GHz都必须做EM仿真绝不偷懒。最后分享一个小技巧如果你觉得Momentum仿真太慢可以先用ADS的“EM Preview”功能快速看一下版图的电流分布确认没有明显的异常热点。这个功能比完整EM仿真快很多适合在优化初期快速筛选方案。等方案基本确定了再跑完整的Momentum做最终验证。这样能省下大量时间。
ADS微带高低阻抗线低通滤波器设计与版图联合仿真实战
1. 为什么我选择微带高低阻抗线来做这个滤波器做射频这行十几年滤波器设计算是绕不开的基本功。不管是收发链路前端的预选滤波还是混频器后面的中频滤波你总得在某个位置放一个能把不需要的频率摁下去的电路。早些年我习惯用电感和电容搭集总参数滤波器后来频率往上走到了GHz级别集总元件的寄生参数开始捣乱Q值也不够看焊上去实测和仿真能差出好几个dB那时候才开始认真研究分布参数的东西。微带高低阻抗滤波器就是在这个背景下进入我视野的。它的思路特别朴素一段很窄的微带线特征阻抗很高等效成一个串联电感一段很宽的微带线特征阻抗很低等效成一个并联电容。把这两种线段交替级联就构成了一个低通滤波器。没有过孔没有集总元件纯平面结构加工一致性极好特别适合PCB工艺。我第一次用它做的是一个截止频率2.4GHz的低通用在WiFi模块的功放输出后面抑制谐波实测插损不到0.5dB二次谐波压了30dB以上当时就觉得这东西值得好好整理一套设计流程。这篇文章面向的是有一定ADS基础、但还没系统做过微带滤波器版图联合仿真的朋友。我会从设计指标出发一步步走完原理图设计、参数计算、版图生成、联合仿真、优化迭代的全过程。中间会穿插我踩过的坑和一些教科书上不太会写的实操细节。你跟着走一遍基本就能独立完成一个类似的设计。2. 设计指标与整体方案拆解2.1 先明确我们要做成什么样任何滤波器设计都是从指标开始的。我这次给自己定的目标是一个S波段低通滤波器具体指标如下参数指标要求截止频率2.5 GHz通带插入损耗 1 dBDC~2 GHz阻带衰减 30 dB 4 GHz以上输入输出阻抗50 Ohm基板材料Rogers RO4003C基板厚度0.508 mm导体厚度35 um1oz铜选RO4003C是因为它的介电常数稳定3.55损耗角正切低0.0027在S波段表现很好而且加工工艺成熟。0.508mm的厚度是我常用的一个折中值太薄了导体损耗大太厚了辐射损耗和尺寸都会上去。截止频率2.5GHz意味着通带要覆盖到2GHz以上阻带从4GHz开始算过渡带不算特别陡大概一个倍频程多一点。这个要求用5阶或者7阶的高低阻抗滤波器就能做到不需要上椭圆函数或者交叉耦合那种复杂结构。2.2 为什么选高低阻抗线而不是其他结构微带低通滤波器有好几种实现方式我简单对比一下我考虑过的几个方案。阶梯阻抗线Stepped Impedance也就是高低阻抗线结构最简单设计公式成熟版图规整适合自动化生成。缺点是过渡带不够陡阻带衰减速率有限而且高阻抗线的宽度可能太细导致加工精度问题。耦合线低通用平行耦合线段实现能做出更陡的过渡带但设计复杂度高对间距的加工精度要求苛刻调试起来很痛苦。发夹线或者交指结构更适合带通做低通不太合适。集总参数LC在2.5GHz这个频率集总元件的寄生效应已经开始明显了特别是电感自谐振频率可能就在几个GHz用起来不放心。综合考虑下来高低阻抗线在2.5GHz这个频段是最务实的选择。设计周期短一次成功率也高。而且我后面要做版图联合仿真高低阻抗线的版图非常规整EM仿真收敛快不容易出问题。2.3 滤波器阶数的确定低通滤波器的阶数直接决定了过渡带的陡峭程度和阻带的衰减速率。对于最平坦响应巴特沃斯衰减速率大约是6N dB/倍频程N是阶数。我们的过渡带从2.5GHz到4GHz大约是0.68个倍频程要求衰减从0dB到30dB粗略估算需要N大约为7。但高低阻抗线滤波器有个特点它的实际响应更接近切比雪夫因为高阻抗线和低阻抗线的阻抗比有限等效的LC比值不是任意可取的。我一般会先用巴特沃斯或者切比雪夫的综合公式算出归一化g值然后根据可实现的高低阻抗比来调整阶数。我最终选了7阶也就是7个电感和7个电容交替对应7段高阻抗线和7段低阻抗线实际版图中首尾通常是低阻抗线作为匹配段。这个阶数在2.5GHz下高阻抗线的宽度大约0.2mm低阻抗线大约2.5mm都在常规PCB加工能力范围内。3. 从归一化参数到物理尺寸的完整计算3.1 滤波器综合从指标到g值我用的方法是先查切比雪夫低通原型表。设定通带波纹0.1dB阶数7查表得到归一化元件值g0 1.0源阻抗 g1 1.1812串联电感 g2 1.4228并联电容 g3 2.0966串联电感 g4 1.5733并联电容 g5 2.0966串联电感 g6 1.4228并联电容 g7 1.1812串联电感 g8 1.0负载阻抗这些g值是归一化的对应截止频率1rad/s、源阻抗1Ohm。实际设计需要做频率和阻抗的去归一化。对于低通原型实际电感L和电容C的计算公式是L_k g_k * Z0 / (2 * pi * fc) C_k g_k / (2 * pi * fc * Z0)其中Z050Ohmfc2.5GHz。算几个关键值 L1 1.1812 * 50 / (2 * 3.14159 * 2.5e9) 3.76 nH C2 1.4228 / (2 * 3.14159 * 2.5e9 * 50) 1.81 pF L3 2.0966 * 50 / (2 * 3.14159 * 2.5e9) 6.67 nH C4 1.5733 / (2 * 3.14159 * 2.5e9 * 50) 2.00 pF后面几个对称L5L3C6C2L7L1。这些是集总参数的值接下来要把它们转换成微带线的物理尺寸。3.2 高阻抗线和低阻抗线的阻抗选择高低阻抗线的核心思路是用传输线来近似集总元件。一段特征阻抗为Z_high、电长度为theta的微带线在theta远小于90度时可以近似为一个串联电感L ≈ Z_high * theta / (2 * pi * f)同理一段特征阻抗为Z_low的微带线可以近似为一个并联电容C ≈ theta / (2 * pi * f * Z_low)这里theta是电长度单位是弧度。关键问题是Z_high和Z_low选多少Z_high越高等效电感越大但线宽越细。在RO4003C、0.508mm厚度下100Ohm的线宽大约是0.35mm120Ohm大约是0.2mm150Ohm就细到0.1mm以下了加工精度和功率容量都是问题。我一般把Z_high控制在100~120Ohm。Z_low越低等效电容越大但线宽越宽。20Ohm的线宽大约是2.5mm15Ohm大约4mm。太宽了会占用大量面积而且可能激发高次模。我一般把Z_low控制在20~30Ohm。我最终选了Z_high 110 OhmZ_low 25 Ohm。这个组合的阻抗比是4.4不算特别大但足够实现所需的LC值而且线宽都在舒适加工范围内。3.3 用ADS LineCalc算出物理尺寸打开ADS的LineCalc工具设置基板参数Er 3.55TanD 0.0027H 0.508 mmT 0.035 mmFreq 2.5 GHz然后分别计算110Ohm和25Ohm的线宽和电长度。对于110Ohm线宽W ≈ 0.22 mm电长度90度对应的物理长度 ≈ 21.5 mm对于25Ohm线宽W ≈ 2.3 mm电长度90度对应的物理长度 ≈ 20.8 mm注意高低阻抗线的电长度不是90度而是根据所需的L和C值反算出来的。对于串联电感段theta_L L * 2 * pi * f / Z_high以L13.76nH为例 theta_L1 3.76e-9 * 2 * 3.14159 * 2.5e9 / 110 0.537 rad 30.8度对应的物理长度 l_L1 (30.8/90) * 21.5 7.36 mm对于并联电容段 theta_C C * 2 * pi * f * Z_low以C21.81pF为例 theta_C2 1.81e-12 * 2 * 3.14159 * 2.5e9 * 25 0.711 rad 40.7度对应的物理长度 l_C2 (40.7/90) * 20.8 9.41 mm把所有段都算出来就得到了初始的版图尺寸。这个计算过程我建议用Excel或者Python脚本做因为后面优化的时候要反复迭代手算太慢了。注意这里算出来的长度是理想传输线的长度实际版图中高阻抗线和低阻抗线连接处会有不连续性台阶这个不连续性会引入额外的电感和电容导致实际响应偏离设计值。这就是为什么必须做版图联合仿真。4. ADS原理图设计与版图联合仿真实操4.1 原理图阶段的快速验证在ADS里新建一个Schematic用理想传输线模型TLIN搭出7阶高低阻抗滤波器。每段传输线设置对应的Z和电长度用前面算出的theta值。两端接50Ohm端口做S参数仿真频率范围设DC到10GHz。这个理想模型跑出来的结果应该非常接近理论响应。如果截止频率偏了或者驻波不好说明g值查错了或者计算有误先在这里排查清楚不要急着进版图。我第一版跑出来截止频率在2.45GHz通带插损几乎为零理想模型没有损耗4GHz处衰减32dB基本符合预期。这时候就可以进版图了。4.2 版图生成与Momentum设置ADS有个很方便的功能从Schematic直接生成Layout。但自动生成的版图通常需要手动调整因为高低阻抗线的连接处需要平滑过渡而且馈线要加到两端。我一般手动画版图用Microstrip元件库里的MLIN和MTEE。具体步骤画一条50Ohm的馈线长度5mm作为输入段。接第一段低阻抗线25Ohm宽度2.3mm长度根据计算值。接第一段高阻抗线110Ohm宽度0.22mm长度7.36mm。依次交替最后再接一段50Ohm馈线。所有线段用45度斜角或者阶梯过渡连接避免直角因为直角会引入额外的寄生电容。版图画好后打开Momentum设置仿真参数仿真类型Microwave频率范围DC~10GHz网格密度默认是20 cells/wavelength我一般调到30提高精度基板定义和LineCalc里一致端口在两端馈线末端加端口端口阻抗50OhmMomentum的网格设置是个关键。网格太粗结果不准网格太细仿真时间爆炸。我的经验是对于2.5GHz的滤波器30 cells/wavelength是个不错的平衡点。如果发现S21在阻带里有异常的毛刺可能是网格不够细可以局部加密。4.3 联合仿真Co-Simulation的正确姿势ADS的Co-Simulation功能可以把Momentum的EM结果反标到Schematic里和集总元件或者其他电路一起仿真。但做纯无源滤波器的时候我其实更推荐直接用Momentum的S参数仿真然后把结果导出成S2P文件在Schematic里用Data Item引用。这样做的好处是EM仿真和电路仿真解耦你可以反复调整电路部分而不需要重新跑EM。对于纯滤波器电路部分就是端口和馈线没什么可调的所以直接看Momentum结果就够了。但如果你要在滤波器后面接放大器或者混频器做系统级仿真那就必须用Co-Simulation把EM结果嵌进去。我这次的做法是Momentum跑完看S参数。导出S2P文件。在Schematic里用SNP元件加载S2P做最终验证。4.4 第一次EM仿真的结果分析第一次跑完Momentum结果让我有点意外截止频率掉到了2.2GHz通带插损0.8dB4GHz处衰减只有25dB。和理想模型比截止频率左移了12%阻带衰减也变差了。原因分析高阻抗线和低阻抗线连接处的台阶不连续性引入了额外的串联电感和并联电容等效于增加了滤波器的阶数但也改变了各段的等效值。高阻抗线的宽度只有0.22mm在Momentum的网格下边缘的电流分布可能没有被精确捕捉。馈线和第一段低阻抗线的连接处也有不连续性。这些问题在理想模型里都不存在所以必须做EM仿真才能发现。5. 优化迭代与版图调整5.1 参数扫描找出关键敏感参数ADS的Parameter Sweep功能可以帮你快速定位哪些尺寸对响应影响最大。我把每段高阻抗线的长度和低阻抗线的长度都设成变量然后做扫描。结果发现高阻抗线的长度对截止频率影响最大长度增加10%截止频率下降约8%。低阻抗线的长度对阻带衰减影响较大长度增加10%4GHz处的衰减改善约3dB。线宽的影响相对较小但高阻抗线的宽度对通带插损有影响宽度减小插损增加。这个信息很有用优化的时候优先调高阻抗线的长度来修正截止频率调低阻抗线的长度来改善阻带。5.2 手动调优 vs 自动优化ADS有自动优化功能但我个人不太喜欢用。原因是EM仿真的单次运行时间较长我这个设计大概3分钟一次自动优化动辄要跑几百次时间成本太高。而且自动优化容易陷入局部最优出来的尺寸可能很奇怪加工不了。我的做法是手动调优基于参数扫描的结果有方向地调整。比如截止频率偏低就把所有高阻抗线的长度缩短5%跑一次看结果再微调。一般迭代3到5次就能收敛。具体迭代记录迭代次数高阻抗线长度调整低阻抗线长度调整截止频率4GHz衰减初始基准基准2.2 GHz25 dB第1次-8%5%2.45 GHz28 dB第2次-10%8%2.52 GHz31 dB第3次-10%10%2.50 GHz33 dB第3次的结果已经满足指标了截止频率2.50GHz通带插损0.6dB4GHz衰减33dB。停止迭代。5.3 版图优化减少不连续性的影响除了调长度还可以通过版图技巧来减少不连续性的影响。我做了两个改进第一个改进在高阻抗线和低阻抗线的连接处加一个渐变过渡段而不是直接台阶。渐变段的长度大约是线宽的2到3倍可以平滑电流分布减少反射。第二个改进在低阻抗线的两端切角做成类似“蝴蝶结”的形状。这样可以补偿台阶处的寄生电容改善高频响应。这两个改进让通带插损从0.6dB降到了0.45dB阻带衰减也改善了2dB左右。实操心得版图优化的时候不要一次改太多地方。每次只改一个参数跑一次仿真确认效果后再改下一个。否则出了问题你都不知道是哪个改动导致的。6. 常见问题与排查技巧实录6.1 仿真结果和实测差距大怎么办这是最常见的问题。我遇到过好几次仿真插损0.5dB实测1.5dB的情况。原因通常有这几个基板参数不准。厂家给的Er和TanD是标称值实际批次之间有波动。RO4003C的Er公差是±0.05TanD是±0.0005。如果你的仿真用的是标称值实测偏个5%很正常。解决办法是用厂家提供的实测数据或者自己做传输线测试提取参数。导体厚度和粗糙度。仿真里通常设导体厚度35um但实际铜箔表面是粗糙的会增加导体损耗。高频下这个损耗不可忽略。ADS的Momentum里可以设置表面粗糙度参数我一般设0.5um到1um。焊接和连接器。SMA连接器的焊接质量对插损影响很大。焊锡太多会引入额外的电容焊锡太少接触电阻大。我一般用少量焊锡确保连接器中心针和微带线充分接触就行。加工公差。高阻抗线宽度只有0.22mm加工公差±0.02mm就是10%的误差。这个误差会导致阻抗变化进而影响响应。解决办法是设计时留足够的余量或者选择更高精度的加工工艺。6.2 Momentum仿真不收敛或者结果异常Momentum跑不下去或者结果明显不对通常是这几个原因网格设置不当。网格太粗会导致结果不准太细会导致内存溢出。我一般先用默认设置跑一次看结果是否合理再决定是否加密。端口设置错误。端口必须加在馈线的末端而且端口的宽度要和馈线宽度一致。如果端口宽度不对会引入额外的反射。基板定义错误。检查Er、H、T是否和实际一致。特别是H如果设错了特征阻抗会完全不对。频率范围设置不当。如果频率范围太宽比如DC到20GHzMomentum可能会在高频段出现数值问题。我一般设到截止频率的4倍左右比如2.5GHz的滤波器设到10GHz就够了。6.3 常见问题速查表问题现象可能原因排查方法解决措施截止频率偏移高阻抗线长度不准参数扫描调整长度通带插损大导体损耗、连接器损耗分段测试优化版图、更换连接器阻带衰减不够阶数不够、低阻抗线长度不足增加阶数或调长度重新设计驻波比差端口匹配不好检查馈线加匹配段仿真不收敛网格太细、频率范围太宽降低网格密度调整设置结果有毛刺网格太粗加密网格局部加密6.4 几个容易被忽略的细节馈线的长度。馈线不是越长越好太长了会引入额外的损耗和相移。我一般用5mm左右刚好够焊接SMA连接器。接地过孔。虽然高低阻抗线本身不需要过孔但如果你在滤波器周围加了接地铜皮要确保过孔足够密否则接地不充分会影响性能。我一般每隔1mm放一个过孔。屏蔽罩。如果滤波器要加屏蔽罩罩子的高度和位置会影响响应。我一般建议屏蔽罩距离电路至少3mm以上否则会改变传输线的等效参数。温度稳定性。RO4003C的Er温度系数大约是-40ppm/度在-40到85度范围内截止频率会漂移大约0.5%。如果应用对温度敏感要留足够的余量。7. 从设计到加工的完整检查清单做完仿真优化准备发板加工之前我一般会过一遍这个清单版图尺寸是否在加工能力范围内最小线宽0.22mm最小间距0.2mm常规PCB厂都能做。馈线宽度是否和SMA连接器匹配50Ohm线宽在RO4003C、0.508mm厚度下大约是1.1mm和常规SMA连接器的中心针匹配。接地铜皮是否足够滤波器周围要有完整的接地平面过孔密度要够。是否有测试点如果需要调试可以在关键节点预留测试焊盘。丝印是否清晰标注输入输出方向避免焊反。是否考虑了安装孔如果需要固定在腔体里要预留安装孔。加工回来之后先不要急着焊连接器。先用万用表测一下输入输出是否短路确认没有加工缺陷。然后焊上连接器用矢量网络分析仪测S参数。如果和仿真差距在可接受范围内插损差0.3dB以内截止频率差3%以内就算成功了。如果差距大先检查连接器焊接再检查基板是否有划伤或者污染。实在不行就只能重新设计一版把仿真和实测的偏差补偿进去。8. 一些个人体会高低阻抗线滤波器是我做过的所有滤波器里设计流程最标准化、最容易一次成功的一种。它的物理概念清晰计算过程透明版图规整特别适合刚入门的射频工程师练手。但它的局限性也很明显过渡带不够陡阻带衰减速率有限而且尺寸偏大。如果你的应用对选择性要求很高或者空间受限可能要考虑其他结构。ADS的版图联合仿真功能是我认为做微带电路必须掌握的技能。理想模型和实际版图之间的差距有时候大到让你怀疑人生。只有通过EM仿真你才能看到那些不连续性、寄生效应、辐射损耗的真实影响。我现在的习惯是任何微带电路只要工作频率超过1GHz都必须做EM仿真绝不偷懒。最后分享一个小技巧如果你觉得Momentum仿真太慢可以先用ADS的“EM Preview”功能快速看一下版图的电流分布确认没有明显的异常热点。这个功能比完整EM仿真快很多适合在优化初期快速筛选方案。等方案基本确定了再跑完整的Momentum做最终验证。这样能省下大量时间。
