ADS仿真：微带滤波器的设计.docx

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1、ADS仿真：微带滤波器的设计微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不 需要的信号，使其不能通过滤波器，只让需要的信号通过。在微波电路系统中，滤波 器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波 器，对设计微波电路系统具有很重要的意义。微带电路具有体积小，重量轻、频带 宽等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应 用之一，因此本节将重点研究如何设计并优化微带滤波器。1微带滤波器的原理微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过 低通滤波器的原型转化过来。最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两

2、种常用的低通 滤波器的原型。微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联 短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这类滤波器的带宽较 窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还是值 得应用的。2滤波器的分类最普通的滤波器的分类方法通常可分为低通、高通、带通及带阻四种类型。图12.1 给出了这四种滤波器的特性曲线。图12播波器的特性曲线.按滤波器的频率响应来划分，常见的有巴特沃斯型、切比雪夫I型、切比雪 夫H型及椭圆型等；按滤波器的构成元件来划分，则可分为有源型及无源型两类； 按滤波器的制作方法和材料可分为波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波

3、器、微 带滤波器。3微带滤波器的设计指标微带滤波器的设计指标主要包括：1绝对衰减(Absolute attenuation)：阻带中最大衰减(dB)。2 带宽(Bandwidth)：通带的 3dB 带宽(flowfhigh)。3中心频率：fc或f4截止频率。下降沿3dB点频率。5每倍频程衰减(dB/Octave)：离开截止频率一个倍频程衰减(dB)。6微分时延(differential delay)：两特定频率点群时延之差以ns计。7群时延(Group delay):任何离散信号经过滤波器的时延(ns)。8插入损耗(insertion loss)：当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰 减，

4、dB9带内波纹(PaSSbandriPPIe)：在通带内幅度波动，以dB计。10相移(PhdSeShift)：当信号经过滤波器引起的相移。11品质因数Q (quality factor)：中心频率与3dB带宽之比。12 反射损耗(RetUrnloSS)13形状系数(shape factor)：定义为。14止带(StoPband或reject band)：对于低通、高通、带通滤波器，指衰减 到指定点(如60dB点)的带宽。工程应用中，一般要求我们重点考虑通带边界频率与通带衰减、阻带边界频 率与阻带衰减、通带的输入电压驻波比、通带内相移与群时延、寄生通带。前两项 是描述衰减特性的，是滤波器的主要技

5、术指标，决定了滤波器的性能和种类(高通、 低通、带通、带阻等)；输入电压驻波比描述了滤波器的反射损耗的大小；群时延是 指网络的相移随频率的变化率，定义为ddf ,群时延为常数时，信号通过网络才 不会产生相位失真；寄生通带是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的，它 是离设计通带一定距离处又出现的通带，设计时要避免阻带内出现寄生通带。4微带滤波器的设计本小节设计一个微带低通滤波器，滤波器的指标如下：通带截止频率：3GHzo通带增益：大于5dB,主要由滤波器的S21参数确定。阻带增益：在4.5GHZ以上小于Y8dB,也主要由滤波器的S21参数确 定。通带反射系数：小于22dB,由滤波器的SIl参

6、数确定。在进行设计时，我们主要是以滤波器的S参数作为优化目标。S21(S12)是传 输参数，滤波器通带、阻带的位置以及增益、衰减全都表现在S21(S12)随频率变化 的曲线上。SIl(S22)参数是输入、输出端口的反射系数，如果反射系数过大，就会 导致反射损耗增大，影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。了解了滤波器的设计原理以及设计指标后，下面开始设计微带低通滤波器。4.1 建立工程新建工程，选择【FileNewProjectl ,系统出现新建工程对话框。在name 栏中输入工程名：microstrip_filter,并在 Project Technology Files 栏中选择 ADS S

7、tandard： Length unitmillimet,默认单位为 mm,如图 12.2 所示。单击 0K,完成新建工程，此时原理图设计窗口会自动打开。4.2 原理图和电路参数设计工程文件创立完毕后，下面介绍微带低通滤波器的原理图设计过程。1)在原理图设计窗口中选择TLineS-Microstrip元件面板列表，窗口左侧 的工具栏变为如图12.3所示。并选择6个MLlN、5个MLoC、1个MSUB按照图 12-4所示的方式连接起来。fe New Project图12.2新建工程.图12.3微带工具栏.Tll-Subs MSubV W-0625 mm L25mm MUMTL2Subst MSu

8、bT W.0625 mm L26nwnMBN, T13SUELMV W. 0625 mm l26mmMUN Tu Sbba-MStJbI- W-OGSSfMn l25mmMDN , ,TlBSobsi-MSubW.062SmmL2Swn,UUN1 ,R6Subfl 1M Su, W-0626mmL2SmmLIMu)CrMlBC . . pMUK .-H9Sobs-MSubI _JMlOC . . r MloC .MSub工L工LIUUIinSub.MSutI I bs-MSbrW. 0i625 mm0626 mmMSI, , MSubI H025mm Er-96 Mur-I M-1K5O Hu

9、 1 Oe *033 T0wn TmD-Ol25mml 2.5L2SfiunL25mrrtl25mmRovgh O mm图12.4港波器主要原理图,2)设置图124中的控件MSUB微带线参数H:基板厚度(0.1 mm)Er:基板相对介电常数(2.16)MUr:磁导率(1)Cond:金属电导率(6.14E+7)Hu:封装高度(1.0e+33 mm)T:金属层厚度(0001 mm)TanD:损耗角正切(le3)ROUngh:表面粗糙度(0 mm)完成设置的MSUB控件如图12.5所示。MSubMSUB.MSUbl H=OJmmEri 2.16 Mr=lCond=K I4E+7mmHu=l.pe+0

10、33T 0.001 mmTahO= 0.001ROUgh 三 Omm图12.5MSUB麒魂募3）滤波器两端的引出线是50 Ohm的微带线，它的宽度W可由微带线计算 工具算出。选择【Tools】一LineCaIcJ - Start LineCaIc命令。在打开的窗口 中输入如图12-6所示的内容。图12.6微带线计算工具窗口在Substrate Parameters栏中填入与MSUB相同的微带线参数。在COmPonentParameterS栏中填入中心频率（本例为3.0GHZ）。Physical栏中的W和L分别表示微带线的宽和长。Electrical栏中的ZO和E_Eff分别表示微带线的特性阻抗

11、和相位延迟，点 击SyntheSiZe和AnalyZe栏中的IZ和愿箭头，可以进行W、L与Z0、E_E仟间的相 互换算。本例中 Zo 为 50Ohm, E_Eff 为 45deg, W 为 0.31008mm, L 9.18284mm。 另外打开的一个窗口显示当前运算状态以及错误信息，如图12.7所示。图12.7运算状态及错误信息窗口一4）双击两边的引出线TL1、TL6,分别将其宽与长设为0.31006 mm和1.5 mmo其余的微带线长度设为9.18284,宽度是滤波器设计和优化的主要参数，因此 要用变量代替，便于后面修改和优化。微带滤波器的结构是对称的，因此设置了 Wl W2、W3、W4、

12、W5 共 5 个变量。双击每个微带线设置参数，W分别设为相应的变量，单位mm。在设置宽 度的5个变量时，为了让它们显示在原理图上,要把Display parameter on schematic 的选项勾上。设置完变量的原理图如图12.8所示。1JIJ-r1-JL-,wI1I11rHtMUNMJNNIAINMJNMJNTllTL2TL3TL4TL5TL6Sut-aMSubISut.*USlaSubflaoMSubIvSuba-aUSubISuba-MSubI-S.MSvbIW.O3IOm Ww4 mmWf5fW*5tnmW.w Ll 5w1.MlX . MlXC.H TlftFj.OC.JTl

13、QFjIKX . JTIInLL WCiC1U ErrQ也7口上皆口冷片口茎痛心t.9IUMmm 1.9mm L.-9 IUMrm C.92Mrim_Jl.992Mmn.u$ueMSublHO I mm -Ef2r6 %/ Cnd614E*? Hu l p* 033 nvn T0 00l ThO.OOOI R0uOmm图12.8设置完变量的原理图。5）由于原理图中的MLIN和MLOC的宽度都是变量，因此需要在原理图中 添加一个变量控件。单击工具栏上的VAR图标，把变量控件VAR放置在原理图上， 双击该图标弹出变量设置窗口，依次添加各微带线的W参数。在Ndme栏中填变量名称，VariabIeVa

14、IUe栏中填变量的初值，点击Add 添加变量，然后单击TUne0ptStatDOESetup.按钮设置变量的取值范围，其中的 Enabled/Disabled表示该变量是否能被优化，Minimum Value表示可优化的最小值 MaXimUmValUe表示可优化的最大值，如图129 12.10所示。 Variables and Equations：VARVariable or Equation Entry ModeInstance Name (name) VARlStandard.Select Parameterwl=0.1679 w2=0.4772 w3=0.5124 *4=0.1269 w5=0.1203opt( 0. 1opt opt opt opt(0. 10. 10. 10. 12 2 )2 12