本应用说明介绍了如何使用WIPL-D FilterDesigner工具以及WIPL-D软件中的其他模块设计一种基于微带技术的Hairpin-Line型带通滤波器。文中将详细介绍滤波器设计工具的强大功能，并展示滤波器电 路的优化方法，包括电路模拟器和电磁（EM）求解器。文中首先展示了在原理图级别进行优化的方法，在MicrowavePro电路模拟器中仅 需一到两次计算即可优化微带滤波器电路。然而，该方法的真正强大之处在于在WIPL-DCAD环境中优化滤波器电路的EM模型。

本应用说明还探讨了滤波器设计的实用性，研究了在标准电路制造技术限制下滤波器的可实现性。

理想传输线滤波器

微带滤波器的设计过程将通过一个示例来演示，该示例为5阶切比雪 夫滤波器，中心频率为3.7GHz，带宽为400MHz，通带波动为0.1 dB（对应的回波损耗为16.4dB）。滤波器选择Hairpin-Line 拓扑结 构。在WIPL-D程序套件中，有一个名为FilterDesigner的工具被引 入作为WIPL-DMicrowave Pro 电路求解器的附加组件，以简化滤波 器设计过程。图1展示了FilterDesigner向导的第一个窗口，如图所 示该窗口中已经输入了本文使用的滤波器的规格参数。

图1: 5阶切比雪夫带通滤波器的规格参数设计窗口。

在输入用户设计的规格参数后，用户可以选择所需的实现方式，在这里我们选择了TxLine（理想传输线）。然后进入第二个窗口，在该窗口 中选择特定的带通滤波器类型并输入相关细节。图2展示了Hairpin Line 滤波器的部分细节。当用户完成输入后，可以选择将合成的滤波 器导出到原理图中，或者继续进入第三个窗口，在该窗口中将滤波器 电路从理想传输线转换为微带线。更多详细信息，建议读者参考Filter Designer 用户手册。

图2: TxLine 理想窗口中5阶发夹线滤波器的合成参数——TEM传输线。

在此情况下，我们选择将理想电路导出到WIPL-DMicrowave原理图 中。导出的原理图如图3所示。

图3: 5阶Hairpin-Line 滤波器使用理想 TxLine 导出到 WIPL-D Mi crowave Pro 原理图中。

图4: 使用理想TEM线的5阶Hairpin-Line滤波器的频率响应。

Hairpin-Line 滤波器包括六个耦合线滤波器元件。根据图2所示，在 Filter Designer 向导的第二个窗口中，有两个字段用于输入耦合线上 传播的偶模和奇模的有效介电常数，分别为Ere和Ero。在纯TEM 线（如带状线）的情况下，两种传播模式的介电常数是相等的。因此令Ere = 2.60 和 Ero = 2.60 以对应于纯 TEM耦合线的情况。该情况下 的滤波器响应如图4所示。

在耦合准TEM线（如微带线）中，偶模和奇模的有效介电常数是不同 的。与其他一些滤波器设计工具不同，WIPL-DFilterDesigner 可以 探索不同模式的有效介电常数对滤波器性能的影响。例如，指定滤波 器的Ere = 2.80 和 Ero = 2.40（如图 5 所示）以探索这种差异的影 响。并取这些值的算术平均值来计算线的长度，因此两个滤波器中相 应线的长度是相等的。滤波器的响应如图6所示。与图4中理想传输 线的S11曲线相比，其S11曲线发生了畸变。因此，我们可以得出结 论，对于Hairpin-Line 滤波器，模式的有效介电常数不等可能是导致 通带响应畸变的原因。至于第一个杂散通带的差异，对于这个演示来 说并不重要。

图5: TxLine 理想窗口中的 5 阶 Hairpin-Line 滤波器合成参数（非 TEM 线）。

图6: 使用理想非TEM线的5阶Hairpin-Line滤波器的频率响应。

微带滤波器

在第二个窗口中，用户可以选择“转换为微带线”而不是“导出到 原理图”。如果选择了这种情况，程序将打开第三个窗口。图7展示 了该滤波器在第三个窗口中的详细信息。 在这个窗口中，滤波器的规格无法更改，只能调整微带基板的参数。此 阶段将使用图7中展示的默认基板参数来继续进行滤波器的设计。任何对基板参数?? 和H的更改都会自动重新合成微带电路，并使微带 滤波器电路更新。对于每对理想耦合线，自动向导会计算线宽w和耦 合线之间的间距s。同时，还会计算每对耦合线不同模式下的有效介 电常数，并使用平均值来计算线的长度。模式的有效介电常数的平均 值显示在灰色字段中。正如图7所示，默认基板的计算值大致等于图 5 中的值，这解释了之前的选择——微带滤波器的响应可以与理想准 TEM 线的滤波器响应进行有意义的比较。按下“导出到原理图”按 钮后，合成的电路将被导出到WIPL-DMicrowavePro原理图中。

图7: 5阶Hairpin-Line 微带滤波器规格及微带基板参数。

导出的电路如图8所示，初始设计（即迭代0次）的仿真S参数显示 在图9中。显然，滤波器的性能不符合规格要求。如果我们关注中心 频率和带宽，可以得出结论，响应在工作频带内向下偏移，并且滤波 器的带宽比要求的更窄。图10中更精确地展示了这种差异，标记读数 提供了中心频率和通带边缘的确切值。

图8: WIPL-D Microwave Pro 中包含微带线的5阶Hairpin-Line 滤波器原理图

图10中展示的仿真结果总结在表1中。通过与规格比较，可以得出结 论，初始滤波器的中心频率Fmd比指定的中心频率Fm低120MHz（-3.2%），滤波器带宽BW比期望的带宽BWd窄50MHz（-12.5%）。 这种差异主要来源于将理想传输线电路转换为微带电路时引入的不连 续性。解决这种差异的一种较好地方法是用修改后的规格重复相同的 设计步骤——提高中心频率和加宽带宽，以补偿不连续性的影响。

而这意味着需要将规格修改为新的中心频率Fm1=(1.000+0.032)× Fm 和新的带宽BW1=(1.000+0.125) × BW。这种优化方法可以看作是文献中描述的空间映射优化技术的简化案例。 迭代1次的第一步是在FilterDesigner 的窗口中输入修改后的规格。 当进入第二个窗口时，应根据图11修改图5中迭代0次的规格。然 后，选择“转换为微带”后，向导将进入第三个窗口，并自动生成修 改后的滤波器微带电路。

新合成的微带电路随后以常规方式导出为原理图并进行仿真，图12展 示了修改规格后的滤波器响应。虽然响应现在已经更接近预期，但要 完全匹配原始规格，还需要进行一次迭代。第二次迭代的设置详情见 表2。

迭代 2 次的过程与迭代1次类似。迭代2次的设计目标是通过迭 代 1 次的结果与规格之间的差异来修改其的规格得到的（Fm2 = (1.000+0.005) × Fm1，BW2 = BW1）。迭代的结果展示在图 13 中，标记显示中心频率和带宽符合规格。优化后的滤波器的S参数如 图14所示。

考虑使用替代基板

如前所述，默认选择微带基板是为了展示滤波器的优化过程。但有时 基板的选择可能会受到系统集成要求、技术限制、成本等因素的限制， 除此之外，用户可以自行选择基板。前文所展示的滤波器优化过程非 常快速，可以迅速应用于其他基板，因此可以在短时间内检查一组设 计。因此，我们在Teflonfiberglass 和Alumina 基板上设计了具有相 同规格的滤波器以作为额外的示例。

基板的介电特性如图15所示，而在Teflonfiberglass和Alumina基板上优化后的滤波器响应分别如图16和图17所示。

对于这两种基板的选择，仅需一次迭代即可达到所需规格。三种基板 在迭代0次时的结果比较如图18所示，与图6中理想准TEM线滤波器的参考结果相比，默认基板上的滤波器初始结果具有最大的向下频移和最窄的带宽。

解决制造技术问题

在设计结束后，滤波器将被制造并测试，最终用于特定应用。但每种制 造技术都有其局限性，任何电路设计都应在设计初期解决这些局限性。 制造限制通常涉及最小导体宽度Wmin和导体之间的最小间距Smin 以及这两者的公差。标准、经典且价格最低的制造工艺在大多数情况 下都是首选，通常情况下Wmin=100µm、Smin=100µm，两者的 公差均为±10µm。

接下来，我们将检查这三种滤波器设计是否符合 这种标准制造技术的特性。在特定设计中，最关键的是第一（以及由 于滤波器的对称性，最后）耦合线部分的尺寸。图19总结了前文设计的三种滤波器的第一耦合线部分的尺寸，其中给出了了来自WIPL-D Microwave Pro 参数列表的截图。

图中可以看到，只有基于Alumina基板设计的微带滤波器在耦合导体 之间的间距符合限制要求，即符合导体之间最小间距的要求。此外，也 可以很容易地计算出它所需的基板面积最小，这在某些实际情况下可 能是一个重要的优势。根据图13、图16和图17，它还有另一个重要 的优势，即最低的插入损耗。然而，必须指出Alumina是一种非常硬 的材料，因此机械加工难度较大，这可能是一个缺点，特别是当滤波 器是集成在同一块介电基板上的更复杂系统的一部分时。如果是这种情况，那么制造孔（如通孔或类似结构）可能会很困难，尤其是当系 统中的其他电路需要这些孔时。

除此之外，Alumina的价格也比另外 两种基板高得多。但尽管如此，考虑到滤波器的可制造性和电气性能 是最重要的，忽略其他方面的因素，我们最终选择Alumina作为基板 材料。 电磁建模与优化 滤波器的最后设计阶段应包括滤波器电路的电磁建模和仿真。在使用 WIPL-D 程序套件时，可以在WIPL-D CAD 环境中构建参数化模型， 这里提供了丰富的基础图形、编辑命令和操作，其强大的建模能力使 得软件能够方便地创建高度复杂的模型。Hairpin-Line滤波器是一个 相对简单的电路结构。

可以利用滤波器结构的对称性来节省建模和后 续仿真工作所需的时间。图20展示了激活对称选项后的滤波器模型 结构的一半。 在WIPL-D CAD 环境中设计滤波器的步骤从图 5 所示合成 TxLine 滤波器开始。下一步，滤波器被转换为微带电路并导出到原理图中， 这与微带原理图电路滤波器的情况相同。然后，原理图中微带电路元 件的物理尺寸直接转移到电磁模型中。

换句话说，通过使用WIPL-D Microwave 中的微带原理图，从 Filter Designer 工具中建立了理想 传输线的电气参数与WIPL-D CAD 中电磁模型对应部分尺寸之间的 关系。 一旦电磁模型中的尺寸按照电路原理图设置完成，电磁模型就可以进 行仿真了。在这一点上，我们假设使用WIPL-D软件进行电磁仿真时 的精度对于程序来说是已知的。 在确保精度并进行电磁仿真后，可以通过标记读数来确定中心频率和 带边缘。

接下来的迭代过程与微带电路模型的情况相同——生成修改 后的规格参数、合成TxLine滤波器、转换为微带电路、更改电磁模型 中的尺寸等。 迭代0次的滤波器电磁模型如图20所示，滤波器电磁模型的S21参 数如图21所示。剩余的优化过程与之前描述的相似，需要进行两次迭 代才能满足中心频率和通带边缘的规格要求。相应的S21参数结结果分别如图22和图23所示。

电磁模型迭代2次后获得的滤波器S参数如图24所示。虽然S21表 现正常，但S11的曲线形状并不像常见的切比雪夫型滤波器，主要表 现在有三个明显的下陷而不是五个，如前面图4中理想纯TEM传输 线的情况所示。随着微带电路模型的引入，S11的形状进一步扭曲，尽 管仍然有四个明显的下陷，但最终在电磁优化模型中只剩下三个下陷 可见。随着建模的精度从理想的准TEM线到电磁电路模型逐步提高，通带内最大S11的值也逐渐恶化。

后续EM优化的目标和优点

通过修改滤波器规格参数进行优化的方法已经达到了极限。似乎需要 3.929 3.673 结论 3.641 / 本应用说明详细描述了微带滤波器的设计过程，特别是滤波器的优化 进行一些其他的方法来完善滤波器的性能，特别是改善S11值。在 WIPL-D 套件中，有一个强大的优化器可以用来满足这一需求。使用 50 次单纯形优化方法迭代优化参数wi，si（i=1,…,3）就足以获得图 26 中所示的优异性能。

图中S11再次出现了四个下陷值，通带内的最 大值约为-15dB，这是非常好的现象。具体来说，滤波器波纹的0.1 dB 规格参数对应的S11值约为-16.4dB，因此没有显著改进的空间。 如前所述，即使是使用理想的准TEM传输线且不包含不连续性的滤波器，其响应也会失真，因此滤波器设计似乎已经完成。

然而，用户可能会觉得响应看起来并不完美，也就是说，不像教科书中 通常展示的滤波器性能那样。因此，有人可能会倾向于进行更多的优 化以实现这样的响应。除了对这种努力的成功率存疑之外，让我们来 看一下实际情况。

表3列出了EM-0、EM-1、EM-2和EMOpt的优 化变量及其对应的值。随着优化的进行，大多数滤波器变量的物理尺 寸差异变得越来越小，EM-2和EMOpt仅相差几微米。如此小的差 异超出了先前定义的制造技术的能力，这意味着在实际滤波器制造中，这么小的差异将是不可区分的。因此，进一步优化滤波器的意义不大。

结论

本应用说明详细描述了微带滤波器的设计过程，特别是滤波器的优化技术，一种简化的空间映射方法。在经过数个设计步骤之后，最终得 到了一个准备进行样品制造的微带滤波器，此时所需的人力和数值计 算工作量最小。由于在设计过程中考虑了标准制造工艺的限制，包括 选择最适合的基板和尺寸约束，因此设计成功的可能性很高。 完成这一过程所需的全套工具可以在WIPL-D程序套件中找到。其中 包括WIPL-DMicrowave 及其附加工具FilterDesigner、Optimizer 和WIPL-D CAD。

在当前套件内模块互操作性的阶段，理想的TxLine 和微带电路转换为原理图的过程是自动进行的，而转换为WIPL-D CAD 模型的过程则必须手动进行。软件拥有丰富的绘图基本元素和绘 图命令以及多样化的工具，因此从零开始创建一个电磁滤波器模型是 简单方便的，但这一过程将在未来的软件版本中实现自动化，从而使 综合理想TxLine 电路生成电磁模型的过程只需两次鼠标点击即可完 成。 关于本应用说明中使用的计算资源，不需要使用任何特殊的硬件，因 为所有所需的仿真都可以在标准台式机上以高数值效率进行。