Band-Pass Microwave Filter Design

Band-Pass Microwave Filter Design

V. Espinosa García de Paredes, A.J. Sánchez Peco, A. González Fernández.

Abstract- To this paper we researched about design a bandpass microwave filter way, specifically a Butterworth type. To design our filter, we used ADS software as well as to set up the lay out of the filter. We have also made the fabrication in printed circuit boards and measurement of the microstrip circuit. We consider theoretical and practical approaches.

Index Terms- Desing, microstrip, filter, bandpass, Simulation, PCB

INTRODUCTION

This Paper has as goal to design a bandpass microwave filter. To desing this bandpass filter we used coupled line, this kind of filters can be made with cascades of N+1 cupled line sections being N the order of the filter. Fabrication of multisection filter is particularly easy in microstrip or stripline form, for bandwidths less than about 20%. Wider bandwidth filter generally require very tightly coupled lines, which are difficult to fabricate.

In our case, to obtein the order of filter we have used a Bandpass transformation, that’s mean that a Low-pass prototype filters desing can also be transformed to have the bandpass or bandstop responses.

DISEÑO DEL FILTRO

A. Especificaciones de diseño.

El filtro será diseñado, simulado, construido y medido en un sistema con impedancia característica de 50 Ω. Las especificaciones de diseño se detallan a continuación. El diseño trata de implementar un filtro paso banda tipo butterworth. Carece por lo tanto, de rizado, siendo 800-900 MHz las frecuencias de corte inferior y superior respectivamente. La banda de rechazo (stopband) debe tener una atenuación de al menos 17dB en 1,4 GHz.

El sustrato sobre el que se construirá la línea microstrip tiene las siguientes especificaciones:

Er h(mm) Tan D

5 1.6 0.02

Tabla 1. Características del sustrato

CÁLCULOS

Para el cálculo de los parámetros requeridos para el diseño, en primer lugar, se debe realizar una transformación de frecuencias, que deberemos normalizar a un filtro paso bajo. Esto se realiza con la formula mostrada a continuación:

Siendo Δ = (ω2-ω1)/ωc = (900-800)/850 ≈ 0.117

Entonces,

1/0.117 x (1400/850- 850/1400) ≈ 8.67

Este valor, lo usamos a continuación para obtener el orden del filtro.

│8.67│-1 = 7.67

Buscando el valor en la siguiente gráfica para la atenuación deseada de 17 dB, se obtiene el orden del filtro n = 2. En la Imagen 1 se observa con claridad.

Figura 1. Cálculo del Orden del filtro

A simple vista puede parecer que es orden 1, pero dado que las especificaciones impuestas sugieren que sea mejor que 17 dB de atenuación, optamos por el orden 2, que optimizará el diseño.

Una vez establecido el orden del filtro, obtenemos los valores de los parámetros del filtro con la siguiente tabla:

Tabla 2. Valores de los elementos para el prototipo FPB

N=2, luego:

g_1=1,4142

g_2=1,4142

g_3=1,000

Una vez obtenidos estos parámetros, debemos calcular los valores de la Impedancia par e impar de las líneas acopladas.

Z0e = Z0 [1 + J Z0 + (J Z0)2]

Z0o = Z0 [1 − J Z0 + (J Z0)2]

Donde para nuestro orden, corresponde cada J Z0, con un valor diferente por cada etapa, expresado en las siguientes fórmulas

[1]

Un filtro microstrip con líneas acopladas, se compone de varias líneas microstrip dispuesta en forma de “escalera”, y estos parámetros son esenciales para el cálculo de las secciones, w (anchura de la línea), l (longitud de la línea) y s (separación entre líneas acopladas).

A partir de estos valores y la herramienta de cálculo “LineCalc” disponible en ADS, se obtienen las dimensiones de las secciones de la línea microstrip. En todos los casos, la longitud eléctrica βl = 90º.

Sección 1 2 3

Parámetro

Z0e (50Ω) 73.03 63.78 104.31

Z0o(50Ω) 38.75 41.25 38.71

W(mil) 82.91 96.42 47.77

L(mil) 1853.54 1834.33 1893.58

S (mil) 15.32 30.74 5.92

Tabla 3. Dimensiones líneas Microstrip

El diseño final del filtro sería de la siguiente forma:

Figura 2. Diseño final de las líneas acopladas.

FUNCIONAMIENTO DEL DISEÑO

A. Funcionamiento teórico

El software de simulación Advanced Design System (ADS) permite deducir el comportamiento del circuito de microondas a partir de cálculos computacionales.

El circuito del filtro se representará de forma esquemática estableciendo los parámetros de cada uno de los elementos. Para las distintas secciones del filtro se ha empleado la línea microstrip MCLIN, con los valores de anchura y longitud calculados previamente, y dos secciones finales MLIN, para adaptar el filtro, a los conectores, sin producir variaciones en las secciones de líneas acopladas.

Además, se han añadido controladores de simulación que realizarán un barrido en frecuencias entre los 600 MHz – 1.4 GHz. En la siguiente figura se muestra el esquemático del diseño.

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