CST实战—双频滤波器设计

1、理论分析

在移动通信中，我们经常需要多频段信号传输。那么收发系统中的关键一环——多通带滤波器的设计，成为了现在设计的关键。

双通带滤波器的设计一般有多种方法，常见的有带通滤波器与带阻滤波器串联形成双通带、双模式谐振，构造双通带函数以及四分之波长开路短截线法等[1]。

本文采用开路短截线的方法。在一个宽频带上采用四分之一开路短截线，将宽频带上的传输信号阻断，构造一个带阻滤波器来实现双频带的滤波器设计。

2、设计建模

1、设计指标：

一通带范围2.4GHz-3GHz，二通带范围5.1GHz-5.8GHz；通带内VSWR<2；通带内插入损耗小于3dB;带外抑制小于20dB。

2、带通滤波器建模

如上图所示为宽带四分之一短截线微带带通滤波器模型。纵向条带均为四分之一波长lambda=c/(4*f)=15mm左右。（由于宽频带，我们f采用5GHz作为初值）在条带终端我们设置通孔(via)将条带接地，构成微带短截线。同时各纵向条带间的间距也为四分之波长。

板材采用Rogers5880，介电常数2.2，板材厚度0.508。使用此值为高频常用板材，Q值低，带宽大。

图形建模采用参数化建模，同时将模型分为左右两部分只构建左边模型，接着采用mirror镜像即可。如下图所示

建模完成后，我们设置求解过程。

（1）Freuency：0-7GHz

（2）Boundaries：

Y,Z方向：open(add space)

        X方向：open

（3）Solver：Time Domain

（4）waveguide Port：直接选择x方向的Positive和Negative即可。

具体设置过程请查看往期CST详细使用过程。

（5）结果分析：

如上图所示为仿真后的结果。3dB通带范围为2.6GHz-5.9GHz。右边带达到设计要求，左边带未达到设计要求。不要担心，这只是设计过程，基本达标即可，下面我们还要进行优化。

3、带通滤波器设计

设计模型如下图所示，以上文同样的方法采用mirror镜像将下面的带阻部分建模。即四条四分之波长传输线。注：此时不是短截线。

模型设计好以后，我们跑一次发现，根本达不到设计要求（注:笔者此时的四分之波长微带线均为优化好的长度，所以略有偏差。），于是我们采用CST的优化方法，将滤波器进行优化，得到我我们需要的参数指标。读者也若对滤波器有一定理论基础，也可以采用Par.Sweep的方法手动调整参数，提高效率。注意调节顺序为上面五个调整带通，下面4个调整带阻即可。本文才用傻瓜式的优化形式。

CST的优化方法如下图所示，打开Optimizer。如下图所示。

在Settings界面，我们选择最基本的Trust Region Framework的优化模式。接着选择全部的影响滤波器的参数。即各条传输线的宽度w1-w9；上下各条传输线的长度L_1-L_9。选择10%的初始值波动范围。

在goals页面，我们设定目标函数

（1）设定S21参数，即通带内2.4-3GHz内S21的幅度(Mag/dB)>-3dB。同理我们设置第二频段。

（2）设定S11参数。即通带内2.4-3GHz内S11的幅度(Mag/dB)>-10dB。同理我们设置第二频段。（注:S11小于-10dB的意思为VSWR小于2，与题目对应。具体计算过程参考微波技术基础中反射系数Γ，S11，VSWR的关系）。

（3）点击Start开始求解。完成后，我们得到结果如下：

1/通带插入损耗与带外抑制：

读下图我们发现，通带内插损2.4-3GHz、5.1-5.8GHz均小于-3dB；图中mark3，带外抑制达到-20dB。

2/电压驻波比VSWR

读下图我们发现，设计指标内2.4-3GHz、5.1-5.8GHz基本达到小于2的设计要求。

最后，我们通过Monitors观察滤波器上的场分布，如下所示。我们采用通带内的2.7GHz和5.5GHz，我们发现四分之一波长传输线上右明显的一个驻波的电压分布，即达到了四分之波长的设计要求。

同时本文的仿真环节，也可以采用ADS优化，采用CST验证的方式。