基于ADS微帶耦合濾波器的設計

1、本科生畢業(yè)論文(設計)題 目： 基于ADS的微帶耦合 濾波器的設計 學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 指導教師： 完成時間： 2014年 月 日 目錄摘要IAbstractII第一章 緒論11.1 背景11.2 研究意義21.3 設計要求21.4 方案比較與選擇31.4.1 方案一：基于ADS設計平行耦合微帶線帶通濾波器31.4.2 方案二：基于Designer的多帶外零點微帶帶通濾波器仿真設計31.4.3 方案三：基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器的設計與仿真4第二章 關于低通濾波器的設計52.1 低通原型濾波器52.1.1 濾波器的基本原理52.1.2 低通濾波器的設計指標72.1.3 低通原

2、型濾波器的設計72.2 低通濾波器原理圖設計72.2.1 仿真參數(shù)設置和原理圖仿真92.2.2 原理圖仿真10第三章 平行微帶耦合濾波器的設計113.1 傳輸線理論113.1.1 微帶線的結構及傳輸模式113.1.2 耦合微帶線及其傳輸模式113.1.3 傳輸線的基本特性參數(shù)123.2 微帶濾波器的技術指標143.3 平行微帶耦合濾波器的設計143.3.1 平行耦合微帶線帶通濾波器的原理143.3.2 設計指標163.3.3 生成濾波器的原理圖173.3.4 微帶線計算工具183.3.5 設置微帶器件的參數(shù)183.3.6 添加變量193.3.7 S參數(shù)仿真電路設置20第四章 電路優(yōu)化214.1

3、 優(yōu)化目標控件214.2 參數(shù)優(yōu)化224.3 觀察仿真曲線234.3.1 原理圖234.3.2 原理圖的仿真244.3.3 平行耦合型濾波器的最終設計參數(shù)25結論27參考文獻28致謝30摘要濾波器是最基本的信號處理器，濾波器的主要特性包括低通、高通、帶通、帶阻衰減。微帶濾波器是一類被大量使用的微波濾波器1。很多型號的濾波器都可以在低通濾波器的原型上轉化過來。微帶電路擁有頻帶比較寬、體積較小、質量較輕等較多的長處，所以使用微帶做濾波器是其主要應用之一。在文中利用微波濾波器只讓頻率正確的的信號通過阻礙頻率不同的信號的特性來區(qū)分信號而設計出具有高性能的濾波器。本文利用微波設計軟件ADS全局優(yōu)化設計2

4、，使用軟件自帶的耦合微帶傳輸線計算器來進行計算，對得出的電路拓撲結構進行仿真，并且對其不理想的地方進行優(yōu)化處理。這樣顯然減少了大量繁瑣的計算，使得微帶耦合濾波器的設計變得簡單、精確。結合實用的解決方案對帶外抑制和插入損耗進行優(yōu)化設計，最終得到比較理想的帶通濾波器。重點闡述了如何利用ADS軟件有效、快速的設計出微帶耦合濾波器的設計過程。關鍵詞：ADS軟件；仿真；平行耦合微帶線；濾波器AbstractFilter is the most basic signal processors, the main characteristics of the filter include low pass,

5、 high pass, band pass, band stop attenuation. Microstrip filter is a type of microwave filters are heavily used. Many types of filters can be transformed back on the prototype low-pass filter. Microstrip circuit has a relatively wide frequency band, smaller, lighter quality higher strengths, to do s

6、o using microstrip filter is one of its main applications. In this paper, the use of microwave filters only allow the correct frequency signal by blocking the signals of different frequencies to distinguish the signal characteristics and high performance filter design. In this paper, global optimiza

7、tion ADS microwave design software design, software comes coupled microstrip transmission line calculator to calculate, on the results of the simulation circuit topology, and its not the ideal place to optimize. So obviously reduces the amount of tedious calculations, coupled microstrip filter desig

8、n allows easy and precise. Combined with practical solutions for the band rejection and insertion loss to optimize the design, and ultimately get the ideal bandpass filter. ADS focuses on how to use the software effectively, quickly design coupled microstrip filter design process.Keywords: ADS softw

9、are; simulation; coupled microstrip lines; FiltersI基于ADS的微帶耦合濾波器設計第一章 緒論1.1 背景現(xiàn)如今，信息時代的來臨以成為了環(huán)繞在人們身邊的一股信息風，現(xiàn)代社會的信息化拓寬了人的實踐領域、催生了新的交往方式與生活方式，對人的發(fā)展起到了不可估量的促進作用。也在很大程度上改變了人們在生活和交往等一系列方面的方式，這主要體現(xiàn)在人們對信息的依賴與需求。這其中的無線通信便成為了信息化中最突出的方面，隨著世界上無線通信用戶的增長，無線通信已進入了規(guī)?；l(fā)展，并將推動整個世界的發(fā)展。無線通信系統(tǒng)收發(fā)的射頻信號是模擬信號3，這個射頻模擬信號需要進行

10、濾波器濾波和放大器放大，濾波的目的是保證只讓頻帶內的信號通過，抑制頻帶外的噪聲，放大器的目的是提高功率準備發(fā)射信號或放大所接收到的微弱信號，所以濾波器在信號的發(fā)射與接收過程中起著關鍵的作用，是必不可少的器件，其性能的好壞決定著整個系統(tǒng)的通信質量。由于通信技術的高速發(fā)展，對電路的集成化程度、穩(wěn)定性、可靠性以及體積的大小等要求越來越高。為了使整個系統(tǒng)占用空間的面積越來越小，人們想到了許多新型封裝形式。射頻無線通信系統(tǒng)前端的電路模塊在某種理論程度上能夠集成在一起4，但是，由于這些電路元件模塊之間存在著不同的工作原理，適用的工作性能不同等，致使目前仍不能實現(xiàn)集成，這種情況只是我們對它的期望與理想，不能

11、真實實現(xiàn)。所以這也將成為濾波器設計過程中的一個難題，目前有很多人在做著這方面的研究。傳統(tǒng)的設計方法已經不能滿足射頻電路和系統(tǒng)設計的需要，使用射頻EDA軟件工具進行射頻電路設計已成為必然趨勢5。EDA工具首推的是ADS。ADS (Advanced Design System)軟件由美國安捷倫(Agilent)公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)的仿真軟件6，是當前射頻和微波電路設計的首選工程軟件，可以支持從模塊到系統(tǒng)的設計，能夠完成射頻和微波電路設計、通信系統(tǒng)設計和射頻集成電路設計。該軟件功能強大，仿真手段豐富多樣，可以實現(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)字和模擬、線性和非線性以及電磁等多種仿真手段，并可以對設計結果

12、進行分析和優(yōu)化，從而大大提高了復雜電路的設計效率，是當今業(yè)界最流行的射頻和微波電路系統(tǒng)的設計工具7。隨著無線通信的迅猛發(fā)展，頻率資源的日益緊張，作為分離有用和無用信號的微波濾波器成為通信系統(tǒng)中的重要部件，其性能的優(yōu)劣直接影響整個通信系統(tǒng)的質量?，F(xiàn)在，微波濾波器已被廣泛應用于微波、毫米波通信、微波導航、制導、遙測遙控、衛(wèi)星通信以及軍事電子對抗等多種領域，并對微波濾波器的要求也越來越高。高阻帶抑制、低通帶插損、寬頻帶、高功率、寄生通帶遠和帶內平坦群時延等成為用戶的主要技術指標要求。同時，體積、成本、設計速度也是用戶極為關心的話題。因為大部分通信系統(tǒng)收發(fā)鏈路共用一根天線，對雙工器乃至多工器的研究需求

13、也越來越迫切。這就促使微波設計師們不斷研究和發(fā)展微波濾波器和雙工器的設計技術8。1.2 研究意義濾波器是用來分離不同頻率信號的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號，使其不能通過濾波器，只讓需要的信號通過。在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對電路的性能指標有很大的影響，因此如何設計出一個具有高性能的濾波器，對設計微波電路系統(tǒng)具有很重要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點，近年來在微波電路系統(tǒng)應用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應用之一。平行微帶耦合線帶通濾波器在微波集成電路中是被廣為應用的帶通濾波器。所以現(xiàn)在我們利用微波仿真軟件ADS, 使用軟件自帶的微帶耦合傳輸線計算器來進行計

14、算，對得出的電路拓撲結構進行仿真9，并且對其不理想的地方進行優(yōu)化處理。這樣顯然減少了大量繁瑣的計算，使得微帶耦合濾波器的設計變得簡單、精確。1.3 設計要求當頻率達到或接近GHz時，濾波器通常由分布參數(shù)元件構成，分布參數(shù)不僅可以構成低通濾波器，而且可以構成帶通和帶阻濾波器。平行微帶耦合傳輸線由兩個無屏蔽的平行微帶傳輸線緊靠在一起構成，由于兩個傳輸線之間電磁場的相互作用，在兩個傳輸線之間會有功率耦合10，這種傳輸線也因此稱為耦合傳輸線。平行耦合微帶線可以構成帶通濾波器，這種濾波器是由四分之一波長耦合線段構成，她是一種常用的分布參數(shù)帶通濾波器。技術要求：3dB帶寬: 25MHz阻帶衰耗: (

15、77;30MHz):As40dB通帶回波損耗: (=5%):Ae26dB帶內波動: 小于±2dB通帶中心頻率: f0=3.05GHzS22-20dB帶通濾波器特性阻抗: R0=501.4 方案比較與選擇1.4.1 方案一：基于ADS設計平行耦合微帶線帶通濾波器在基于ADS軟件的基礎上對微帶耦合濾波器進行設計。對電路結構和設計方法進行分析。通過分析平行耦合微帶線帶通濾波器的電路結構,提出了一種消除濾波器帶寬偏離指定設計帶寬和在截止頻率附近緩和通帶內電壓駐波比波動過大的方法。常用的方法為綜合優(yōu)化法，步驟為(a)制定濾波器的技術要求；(b)根據(jù)技術要求, 選定設計方法和選擇合適的標準低通濾

16、波器參數(shù) gk(k = 0, 1, n, n + 1)；(c) 確定歸一化帶寬、上邊頻和下邊頻, 按公式計算奇模、偶模的特征阻抗值, 從而確定微帶線的間隔、寬度、長度；(d) 應用EDA工具對初步設計進行仿真、優(yōu)化, 然后進行誤差分析或調諧范圍分析以進一步提高設計質量；(e)制作樣品.在此基礎上闡述了設計平行耦合微帶線帶通濾波器的流程以及相關參數(shù)的計算方法,最后基于ADS給出一個中心頻率為10GHz的濾波器的設計實例及其仿真分析結果,驗證了此方法的正確性和可行性。利用ADS軟件，在微帶電路方面具有體積小重量輕頻帶寬等諸多優(yōu)點，并且利用ADS軟件可以大大減少工作量，并且能提高效率，降低成本。1.

17、4.2 方案二：基于Designer的多帶外零點微帶帶通濾波器仿真設計應用ANSOFT Designer軟件仿真設計了兩種結構簡單緊湊的微帶平行耦合線帶通濾波器。在一定的頻率處產生傳輸零點，分析了兩種不同類型微帶線結構與最終產生的對應結果。最后對計算、仿真和實測的結果進行了對比和分析。對于微帶線與傳輸零點情況分析，文中對平行耦合微帶線、微帶線開路枝節(jié)、短路結構耦合微帶線進行設計與分析。在濾波器設計中，分析了耦合線對稱饋電濾波器設計、含源和負載耦合的兩腔交叉耦合濾波器兩種。文章設計了兩種結構新穎緊湊的微帶窄帶通濾波器，通過巧妙設計實現(xiàn)了微帶濾波器的帶外多個傳世零點。通過調節(jié)開路枝節(jié)和不同結構的耦

18、合微帶線，可以將傳輸零點調節(jié)到需要的合適位置，抑制相應的頻率干擾，進而實現(xiàn)良好的帶外特性。其中計算、仿真的結果吻合很好。但Designer軟件計算量比較大，雖然具有高效性和準確性，但計算復雜，容易出錯，降低了效率。1.4.3 方案三：基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器的設計與仿真實現(xiàn)數(shù)字化是控制系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。利用FPGA可以重復配置高精度的FIR濾波器，使用VHDL硬件描述語言改變?yōu)V波器的系數(shù)和階數(shù)，并能實現(xiàn)大量的卷積運算算法。結合MATLAB工具軟件的輔助設計，使得FIR濾波器具有快速、靈活、適應性強，硬件資源耗費少等特點。其基本原理為分布式算法實現(xiàn)乘加運算為目的的運算方法。概算法利用一個

19、查找表（LUT）實現(xiàn)映射，經查找表后直接輸出部分積。實驗設計了FIR濾波器并借助ALTERA公司的FPGA器件和0UARTus 2軟件對設計進行仿真驗證，測試結果完全能滿足系統(tǒng)設計要求。FPGA是一種高密度的可編程邏輯器件，但它大部分是基于SRAM編程，在編程時數(shù)據(jù)信息在系統(tǒng)斷電時會丟失，其編程信息存放于外部存儲器上，且使用方法復雜，保密性差。綜合上述方法的比較，利用ADS軟件進行設計比較好。第二章 關于低通濾波器的設計2.1 低通原型濾波器2.1.1 濾波器的基本原理1、濾波器的基礎是諧振電路，它是一個的二端口網(wǎng)絡11，對頻率適合的信號進行傳輸，對頻率不匹配的信號進行發(fā)射衰減，從而實現(xiàn)信號頻

20、譜過濾。二端口低頻網(wǎng)絡可以使用網(wǎng)絡參數(shù)對網(wǎng)絡線性特征進行描述。描述低頻線性網(wǎng)絡輸入和輸出的物理量。圖2.1 二端口網(wǎng)絡2、常用的低頻網(wǎng)絡參量有四種，分別稱為阻抗參量、導納參量和轉移參量，視具體的應用場合，可選擇一種最適合電路特性的網(wǎng)絡參數(shù)。典型的頻率響應包括低通、高通、帶通、帶阻衰減，如下圖所示。其他型號的濾波器一般都可以在低通濾波器的原型上轉化過來。 （a）低通濾波器頻響曲線 （b）高通濾波器頻響曲線（c）帶通濾波器頻響曲線 （d）帶阻濾波器頻響曲線圖2.2 濾波器的頻響曲線3、在濾波器中，通常采用工作衰減來描述濾波器的衰減特性12。即 （2.1）式中，Pin和PL分別為輸出端匹配負載時的濾

21、波器輸入功率和負載吸收功率。為了描述衰減特性與頻率的相關性，通常使用數(shù)學多項式逼近方法來描述濾波器的特性。濾波器的設計通常需要由衰減特性綜合出濾波器低通原型，再將原型低通濾波器轉換到要求設計的低通、高通、帶通、帶阻濾波器，最后用集總參數(shù)元器件實現(xiàn)所涉及的濾波器。4、濾波器的主要參數(shù)指標13：（1）中心頻率：一般，。其中，、為帶通或帶阻濾波器左右相對下降3dB處對應的左右頻點。（2）截止頻率、：低通濾波器的通帶右邊的邊頻點及高通濾波器的通帶左邊的邊頻點。（3）通帶帶寬BW3dB：需要通過的頻譜寬度，。（4）相對帶寬：用表示，也常用來表征濾波器的通帶帶寬。（5）插入損耗：引入濾波器對輸入信號帶來的

22、損耗。常以中心頻率或截止頻率處損耗表征。（6）帶內波動：通帶內的插入損耗隨頻率變化的波動值。（7）回波損耗：端口信號輸入功率與反射功率之比的分貝數(shù)。（8）延遲：信號通過濾波器所需要的時間。2.1.2 低通濾波器的設計指標1、具有最平坦的響應2、截止頻率為2.5MHz3、在為4MHz處的插入損耗必須大于20dB4、阻抗為50歐，采用6階巴特沃茲低通原型14，最高實際線阻抗為120歐，最低實際線阻抗為20歐，采用的基片參數(shù)為d=1.58mm，銅導體的厚度t=0.035mm。2.1.3 低通原型濾波器的設計1、先計算： (2.2)對于n=6的曲線，當時，LA>20dB。故最大平坦濾波器級數(shù)n=

23、6。2、低通原型值：g1=0.5176,g2=1.4142,g3=0.9318,g4=0.9318,g5=1.4142，g6=0.5176。該低通原型電路如下圖：圖2.3 濾波器低通原型電路2.2 低通濾波器原理圖設計1、設計原理圖選擇8個微帶線MLIN添加到原理圖中，并鏈接起來。圖2.4 濾波器原理圖這樣就完成了濾波器原理圖基本結構，為了達到設計性能，還必須對濾波器中微帶電路的電氣參數(shù)和尺寸進行設置。2、電路參數(shù)設置： 圖2.5 MSUB參數(shù) 圖2.6 VAR參數(shù)參數(shù)顯示窗口包含了物理尺寸參數(shù)設置欄和電尺寸參數(shù)設置欄。如果電尺寸數(shù)據(jù)確定，則單擊Synthesize按鈕可得到物理尺寸；如果物理

24、尺寸數(shù)據(jù)確定，則單擊Analyze按鈕可得到電尺寸參數(shù)。3、電尺寸參數(shù)：Z0=50Ohm，表示微帶線特性阻抗為50OhmE_Eff=90deg，表示微帶線的電長度為90deg表1 各枝節(jié)的寬度和長度節(jié)數(shù)giZi=Zl或Zh（）li(度)Wi（mm）li（mm）1150903.08716.6920.5172011.811.32.0531.41412033.80.4286.6341.9322044.311.37.6951.93212046.10.4289.0461.4142032.411.35.6370.51712012.30.4282.418150903.08716.694、電路參數(shù)設置的原理圖

25、：將MSUB和VAR放置在原理圖上后即可進行參數(shù)的修改，這樣便完成了電路參數(shù)設置的原理圖。圖2.7 電路參數(shù)設置的原理圖2.2.1 仿真參數(shù)設置和原理圖仿真1、仿真參數(shù)設置15:(1)在原理圖設計窗口選擇S參數(shù)仿真元器件面板“Simulation-S_Param”，并選擇終端負載TERM放置在濾波器的兩個端口上。(2)在電路原理圖中插入兩個地，并連接好電路原理圖。(3)選擇一個S參數(shù)仿真控制器放入到原理圖中。(4)設置S參數(shù)仿真控制器的參數(shù)：Start=0GHz；Stop=5GHz；Step=0.01GHz。圖2.8 完成S參數(shù)仿真設置的原理圖窗口以上為低通原型濾波器的設計16，此設計共放置八

26、個MLIN節(jié)，在原理圖中應注意有關于參數(shù)的設置，注意兩端TERM下均有一個接地。因為其他濾波器都是由低通濾波器轉化過來的，所以接下來就可以以低通原型濾波器為原型設計一個平行微帶耦合濾波器。2.2.2 原理圖仿真根據(jù)設計進行S參數(shù)的仿真，等仿真結束后在數(shù)據(jù)窗口添加S21參數(shù)的矩形圖，并插入一個標記，然后添加S11參數(shù)的矩形圖，插入一個標記。圖2.9 濾波器的S21、S11參數(shù)曲線第三章 平行微帶耦合濾波器的設計3.1 傳輸線理論3.1.1 微帶線的結構及傳輸模式微帶線主要由三部分組成：最上面是寬度為W，高度為t的導帶體，下層是接地板，制作底層接地板的材料一般釆用(如銀、金、銅)這些導電性能比較的

27、金屬材料良好的材料,中間部分用介質基板填充，這種填充介質的介電常數(shù)為，接地板的厚度用h表示。圖3.1 微帶線結構3.1.2 耦合微帶線及其傳輸模式上面已經對微帶線做了詳細的闡述17，在微波電路中，平行耦合線就是在微帶線中加一條與原來微帶線一樣并且平行的導帶。平行耦合微帶線的作用非常多，例如組成振蕩回路、偏置電路、定向耦合器等基礎的元器件18，還能夠根據(jù)它的特性組成類型不同、形狀不同、結構不同的濾波器。耦合微帶線由以下三部分構成：上面是兩條平行的金屬導帶，寬均為W，高度為t，兩條金屬導帶的距離為S，下層是接地板,制作底層接地板的材料一般采用(如銀、金、銅)這些導電性能比較的金屬材料良好的材料，中

28、間部分用介質基板填充，這種填充介質的介電常數(shù)為 ,接地板的厚度用h表示。圖3.2 平行耦合微帶線結構3.1.3 傳輸線的基本特性參數(shù)傳輸線的基本特性參數(shù)包括傳輸線的特性阻抗、反射系數(shù)、駐波比、輸入阻抗、傳輸常數(shù)和傳輸功率等等19。微帶線是目前射頻微波中使用最多最常見的傳輸線，是平面型結構，在PCB(Printed Circuit Board，印制電路板)上可以通過使用蝕刻電路技術制作，方便與各種射頻元器件外連接從而實現(xiàn)不同的電路，可以在一塊共有的介質基片上實現(xiàn)完整電路的制作，使射頻部件及微波系統(tǒng)向高集成度、小型化方向發(fā)展。1、微帶線的有效介電常數(shù)微帶線導體帶的上方為空氣，下面為介質，然后假設一

29、種微帶線，這個微帶線全部填充等效介質，為這種等效介質的相對介電常數(shù)，等效微帶線和現(xiàn)實的微帶線有同樣的特征阻抗與相速度，這個等效關系由決定微帶線的有效相對介電常數(shù)的近似計算公式為20： （3.1）式中W表示導體帶寬度，h表示介質基板厚度。2、微帶線的特性阻抗Z0根據(jù)上面的，能夠獲得Z0近似計算公式： （3.2）在給定微帶線的特性阻抗Z0和相對介電常數(shù)后，也可以求出w/h的值。w/h值的計算公式為： （3.3）式中：， （3.4） 3、微帶線的傳輸特性微帶線的傳輸模式為準TEM模，但是微帶下的傳輸特性按照TEM模近似計算。在TEM波傳輸中，波的常數(shù)在忽略損耗時，其中，0為自由空間波長，微帶線同其他

30、TEM類型傳輸線相同，波的速度同樣滿足關系式，將代入得到微帶線的相速度和波長，。 4微帶線的損耗與衰減損耗是傳輸線的重要傳輸特性之一，不僅存在于同軸線、波導中，也同樣存在于微帶線中，并且由于微帶線的不封閉結構，微帶線的損耗遠大于同軸線與波導。微帶線除了導體損耗和介質損耗外，還有輻射損耗，微帶線的損耗可以用衰減常數(shù)來表示。如果忽略輻射損耗，則微帶線的衰減常數(shù)為，其中，由微帶線介質損耗引起，由微帶線導體損耗引起。微帶線的介質損耗是有節(jié)制的漏電導致的，為了減小微帶線的介質損耗，可以選擇一些導電性能良好的介電質作為基板。對于低損耗介質，微帶傳輸線的介質損耗是： （3.5）式中為損耗角正切。對于比較高的

31、損耗電介質，微帶傳輸線的介質損耗是： （3.6）當電流通過導體條和介質底板是，由于它們都有一定的電導率，所以會產生熱量，發(fā)生熱損耗現(xiàn)象，這一部分就是微帶傳輸線的導體損耗。由于相對于同軸線和波導來說，微帶線的橫截面比較小，所以散熱較慢，那么產生的熱量也就越多，造成的損耗也就越大，也是微帶傳輸線導體損耗的最主要部分。故而它的導體損耗由所表示。其中，為導體的電導率。3.2 微帶濾波器的技術指標1、通帶邊界頻率與通帶內衰減、起伏；2、阻帶邊界頻率與阻帶衰減；3、通帶的輸入電壓駐波比；4、通帶內相移與群時延；5、寄生通帶；6、前兩項是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術指標，決定了濾波器的性能和種類(高通

32、、低通、帶通、帶阻等)；7、輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大??；8、群時延是指網(wǎng)絡的相移隨頻率的變化率，定義為dU/df，群時延為常數(shù)時，信號通過網(wǎng)絡才不會產生相位失真；9、寄生通帶是由于分布參數(shù)傳輸線的周期性頻率特性引起的，它是離設計通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設計時要避免阻帶內出現(xiàn)寄生通帶21。3.3 平行微帶耦合濾波器的設計3.3.1 平行耦合微帶線帶通濾波器的原理在微帶低通及帶阻濾波電路中，輸入端與輸出端始終有導帶直接連接。但是在帶通濾波電路中，微帶線不能直接相連，必須通過微帶線之間的耦合來使得射頻信號通過，阻斷低頻信號。因此，常用兩條想接近的平行微帶線來構成帶通濾波器。位于同

33、一介質基板上，相距s的一對平行微帶線，當兩條微帶線間的距離s遠大于介質厚d時，微帶線之間的耦合可以忽略。然而當s可與d相比較時，兩微帶間的耦合不能忽略，此時會產生耦合電容及互感，根據(jù)每根微帶線上的終端電壓及電流，可以定義偶模電壓、偶模電流及奇模電壓、奇模電流。通過引入奇偶模，可以方便的建立起基本方程，分別求出相應的奇模阻抗(Z0e)及偶模阻抗(Z0o)。 圖3.3 兩條微帶線的分布 圖3.4 傳輸線等效電路下圖是一個微帶帶通濾波器及其等效電路，它由平行的耦合線節(jié)相連組成，并且是左右對稱的，每一個耦合線節(jié)長度約為四分之一波長(對中心頻率而言)，構成諧振電路22。 圖3.5 級聯(lián)微帶線帶通濾波器、

34、等效電路設計流程：為設計出符合要求的帶通濾波器，可以將傳統(tǒng)的平行耦合微帶線設計方法與先進的微波電路仿真軟件ADS相結合，使全部設計要求轉換成實際的濾波器設計，下圖是平行耦合微帶線濾波器的設計的流程圖。確定濾波器指標計算查表得濾波器級數(shù)N確定標準低通濾波器參數(shù)計算傳輸線奇模、偶模特性阻抗利用ADS工具計算各級濾波器幾何尺寸仿真達到技術指標要求得到最終W，S，L選定板材利用ADS優(yōu)化改W，S，L否是圖3.6 平行耦合微帶線濾波器的設計的流程圖3.3.2 設計指標通帶3.03.1GHz；帶內衰減小于2dB；起伏小于1dB；2.8GHz以下及3.3GHz以上衰減大于40dB；端口反射系數(shù)小于等于-20

35、dB。1、根據(jù)需要的紋波和衰減，選定切比雪夫或巴特沃斯設計方法。帶寬，其中WU為上邊頻，WL為下邊頻，W0為中心頻率等于。根據(jù)帶寬指標計算參數(shù)。2、再計算傳輸線的奇模、偶模特性阻抗23。3、根據(jù)微帶線的奇模和偶模特性阻抗，及給定的PCB板材的介電常數(shù)和厚度，應用ADS軟件的微帶線計算器計算得到微帶線的幾何尺寸：S，W，L。4、接好電路，將計算得到的參數(shù)輸入進行仿真，由于開路端傳輸線的等效電容及應用軟件進行計算仿真的過程中進行了許多近似計算，結果和目標會有一些偏差，運用相關理論方法進行優(yōu)化，達到滿意的結果。3.3.3 生成濾波器的原理圖圖3.7 濾波器的原理圖1、生成微帶電路的基本參數(shù)：上頁圖中

36、五個MCFIL表示濾波器的五個耦合線節(jié)，兩個MLIN表示濾波器兩端的引出線。2、控件MSUB的微帶線參數(shù)H:基板厚度(0.8 mm)Er:基板相對介電常數(shù)(4.3)Mur:磁導率(1)Cond:金屬電導率(5.88E+7)Hu:封裝高度(1.0e+33 mm)T:金屬層厚度(0.03 mm)TanD:損耗角正切(1e-4)Roungh:表面粗糙度(0 mm)3.3.4 微帶線計算工具1、濾波器兩邊的引出線是特性阻抗為50歐姆的微帶線，它的寬度W可由微帶線計算工具得到具體方法是點擊菜單欄Tools->LineCalc->Start Linecalc24。2、在窗口的Substrate

37、 Parameters欄中填入與MSUB中相同的微帶線參數(shù)。3、在Component Parameters填入中心頻率(本文中為3.05GHz)。4、點擊Synthesize和Analyze欄中的箭頭，可以進行W、L與Z0、E_Eff間的相互換算。5、填入50 Ohm和90 deg可以算出微帶線的線寬1.52 mm和長度13.63 mm(四分之一波長)。圖3.8 微帶線的計算3.3.5 設置微帶器件的參數(shù)1、雙擊兩邊的引出線TL1、TL2，分別將其寬與長設為1.52 mm和2.5 mm。2、平行耦合線濾波器的結構是對稱的，所以五個耦合線節(jié)中，第1、5及2、4節(jié)微帶線長L、寬W和縫隙S的尺寸是相

38、同的。耦合線的這些參數(shù)是濾波器設計和優(yōu)化的主要參數(shù)，因此要用變量代替，便于后面修改和優(yōu)化。3、雙擊每個耦合線節(jié)設置參數(shù)，W、S、L分別設為相應的變量，單位mm，其中的W1與W2參數(shù)代表該器件左右相鄰兩側的微帶器件的線寬，它們用來確定器件間的位置關系。在設置W1、W2時，為了讓它們顯示在原理圖上，要把Display parameter on schematic的選項勾上。圖3.9 設置參數(shù)后的原理圖3.3.6 添加變量1、單擊工具欄上的VAR圖標，把變量控件VAR放置在原理圖上，雙擊該圖標彈出變量設置窗口，依次添加各耦合線節(jié)的W，L，S參數(shù)。2、在name欄中填變量名稱，Variable Val

39、ue欄中填變量的初值，點擊Add添加變量，然后單擊Optimization/Statistics Setup按鈕設置變量的取值范圍，其中的Enabled/Disabled表示該變量是否能被優(yōu)化。3、耦合線節(jié)的長L約為四分之一波長(根據(jù)中心頻率用微帶線計算工具算出)，微帶線和縫隙的寬度最窄只能取0.2 mm(最好取0.5 mm以上)。圖3.10 變量設置3.3.7 S參數(shù)仿真電路設置1、選擇Term放置在濾波器兩邊，用來定義端口1和2，點擊地圖標，放置兩個地，并按照圖連接好電路。2、選擇S參數(shù)掃描控件放置在原理圖中，并設置掃描的頻率范圍和步長，頻率范圍根據(jù)濾波器的指標確定(要包含通帶和阻帶的頻率

40、范圍)。圖3.11 S參數(shù)仿真電路3、根據(jù)設計進行S參數(shù)的仿真，等仿真結束后在數(shù)據(jù)窗口添加S21參數(shù)的矩形圖，并插入一個標記，然后添加S11參數(shù)的矩形圖，插入一個標記。圖3.12 S參數(shù)仿真圖第四章 電路優(yōu)化4.1 優(yōu)化目標控件在對濾波器的仿真結果，在數(shù)據(jù)顯示窗口中，觀察哪個技術指標沒有達到要求，濾波器的中心頻率以及通帶、租代內的衰減如果沒有達到工程設計的要求就選擇S11（S22）參數(shù)作為優(yōu)化對象，如果帶內駐波沒有達到要求，就選擇S11（S22）參數(shù)作為優(yōu)化對象。S11（S22）參數(shù)表示的是輸入輸出端口的反射系數(shù)，輸入輸出端的電壓駐波比也可以通過對S11（S22）參數(shù)的換算得到25。倘若反射系

41、數(shù)S11（S22)太大，那就表示濾波器的反射損耗太大，從而導致系統(tǒng)的前、后匹配程度比較差，系統(tǒng)性能也受到嚴重影響而隨之下降。1、選擇優(yōu)化設置控件放置在原理圖中，雙擊該控件設置優(yōu)化方法及優(yōu)化次數(shù)。2、常用的優(yōu)化方法有Random(隨機)、Gradient(梯度)等26。3、隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。4、選擇優(yōu)化目標控件Goal放置在原理圖中，雙擊該控件設置其參數(shù)。Expr是優(yōu)化目標名稱，其中dB(S(2,1)表示以dB為單位的S21參數(shù)的值；SimlnstanceName是仿真控件名稱，這里選擇SP1；Min和Max是優(yōu)化目標的最小與最大值；Weight是指優(yōu)化目標的權重；

42、RangeVar1是優(yōu)化目標所依賴的變量，這里為頻率freq；RangeMin1和RangeMax1是上述變量的變化范圍。5、這里總共設置了四個優(yōu)化目標，前三個的優(yōu)化參數(shù)都是S21，用來設定濾波器的通帶和阻帶的頻率范圍及衰減情況(這里要求通帶衰減小2dB，阻帶衰減大于40dB)，最后一個的優(yōu)化參數(shù)是S11，用來設定通帶內的反射系數(shù)(這里要求小于-20dB)。圖4.1 4個優(yōu)化目標6、在優(yōu)化目標控件GOAL中，應注意控件的Min值和Max值的范圍，在第一個GOAL控件中的Min值為-2，中間兩個GOAL控件中Max值為-40，第四個GOAL控件中Max值為-20。圖4.2 參數(shù)優(yōu)化后原理圖7、將

43、所有的參數(shù)進行優(yōu)化后保存一下，注意對參數(shù)進行的修改。在原理圖設計窗口中選擇的優(yōu)化設置控件OPTIM中參數(shù)的填寫都必須認真、仔細，注意不要出錯。4.2 參數(shù)優(yōu)化1、點擊工具欄中的Simulate按鈕就開始進行優(yōu)化仿真。其中的CurrentEF表示與優(yōu)化目標的偏差，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標，0表示達到了優(yōu)化目標，下面還列出了各優(yōu)化變量的值，當優(yōu)化結束時還會打開圖形顯示窗口。2、在一次優(yōu)化完成后，要點擊原理圖窗口菜單中的Simulate->Update Optimization Values保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存。圖4.3 優(yōu)化目標3

44、、圖為經過數(shù)次優(yōu)化后，CurrentEF的值為0，即為優(yōu)化結束。優(yōu)化過程中根據(jù)情況可能會對優(yōu)化目標、優(yōu)化變量的取值范圍、優(yōu)化方法及次數(shù)進行適當?shù)恼{整。4.3 觀察仿真曲線4.3.1 原理圖1、優(yōu)化完成后必須關掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。方法是點擊原理圖工具欄中的Deactivate or Activate Components按鈕，然后點擊優(yōu)化控件OPTIM，則控件上打了紅叉表示已經被關掉27。2、要想使控件重新開啟，只需點擊工具欄中的按鈕，然后點擊要開啟的控件，則控件上的紅叉消失，功能也重新恢復了。3、對于原理圖上其他的部件，如果想使其關閉或開啟，也可以采取同樣的方法。圖4.4 關掉的優(yōu)

45、化控件后的原理圖4.3.2 原理圖的仿真1、關掉優(yōu)化控件后的原理圖就可以進行仿真了28，點擊工具欄中的Simulate按鈕進行仿真，仿真結束后會出現(xiàn)圖形顯示窗口。2、點擊圖形顯示窗口左側工具欄中的矩形框按鈕，放置一個方框到圖形窗口中，這時會彈出一個設置窗口，在窗口左側的列表里選擇S(1,1)即S11參數(shù)，點擊Add按鈕會彈出一個窗口設置單位(這里選擇dB)，點擊兩次OK后，圖形窗口中顯示出S11隨頻率變化的曲線。3、用同樣的方法依次加入S22，S21，S12的曲線，由于濾波器的對稱結構，S11與S22，以及S21與S12曲線是相同的。圖4.5 優(yōu)化后仿真曲線4、為了準確讀出曲線上的值，可以添加

46、Marker，方法是點擊菜單中的Marker -> New，出現(xiàn)Instert Marker的窗口，接著點擊要添加Marker的曲線，曲線上出現(xiàn)一個倒三角標志，點擊拖動此標志，可以看到曲線上各點的數(shù)值。5、觀察S11(S22)和S21 (S12)曲線是否滿足指標要求(包括優(yōu)化目標中未設定的帶內起伏小于1dB的要求)，如果已經達到指標要求，就可以進行版圖的仿真了29。4.3.3 平行耦合型濾波器的最終設計參數(shù)1、通過上面的設計步驟，出的平行耦合微帶濾波器的最終物理參數(shù)線寬W、間距S以及耦合微帶線的長度L。表2 平行耦合微帶濾波器的物理參數(shù)TL1CLin1CLin2CLin3CLin4CLi

47、n5TL2W1.520.4365820.3772510.5880250.3772510.4365821.52S0.6654431.880282.081751.880280.665443L2.514.225913.818114.052113.818114.22592.52、分析得到設計的濾波器離設計指標有一點的差距。造成誤差的原因可能有以下幾點：(1)微帶線的尺寸比較小，一般使用mm計量，在設計過程中取到了小數(shù)點后4位，但是在實際制作過程中是不可能實現(xiàn)小數(shù)點后4位的取值的，對尺寸取了近似值，過多的取近似值會造成大的誤差，所以造成了結果中誤差的產生。(2)材料參數(shù)會隨著周圍環(huán)境的變化而變化，不同的

48、介電常數(shù)對濾波器的性能有一定的影響。(3)矢量網(wǎng)絡分析儀的端口與微帶線的端口的阻抗可能不匹配，這樣也會對濾波器的性能產生影響30。以上的原因均會對濾波器的性能有一定的影響，所以在設計、制作、測試過程中都需要認真謹慎的處理，使誤差盡量的降低。從優(yōu)化仿真結果來看，雖然與理論存在一定的偏差，但此次仿真的結果還是比較滿意的。結論本論文主要介紹了濾波器的背景、歷史及意義，對濾波器有了一個基本的了解，知道了濾波器主要有低通、高通、帶通、帶阻等濾波器。其他濾波器都可以由低通濾波器轉化而來。并且對濾波器的幾種仿真軟件進行了比較，選擇出了基于ADS軟件的基礎上對微帶耦合濾波器進行設計為最佳方案。經過研究微帶帶通

49、濾波器，從歸一化低通濾波器出發(fā),詳細論述了濾波器的設計原理，并根據(jù)濾波器的設計原理，闡述了平行耦合線帶通濾波器的工作原理和設計過程。使用美國安捷倫公司的ADS軟件設計仿真平行耦合型濾波器。在論文中給出了一個中心頻率在3.05GHz；2.8GHz以下及3.3GHz以上衰減大于40dB；起伏小于1dB；端口反射系數(shù)小于等于-20dB的帶通濾波器設計實例。根據(jù)給定的濾波器技術指標，確定濾波器類型、結構和最佳級數(shù)。按照設計要求利用射頻和微波設計軟件ADS(先進設計系統(tǒng))對帶外抑制和插入損耗進行優(yōu)化設計,從而達到要求的插損、帶內波紋和理想的帶外抑制特性。通過這次課題的研究和實驗我們發(fā)現(xiàn)，采取ADS軟件設

50、計濾波器的方法有其優(yōu)勢優(yōu)點，也有其缺點與不足。利用ADS設計濾波器的方法，在設計剛開始的時候就對濾波器的模型進行了假設，只是考慮了相鄰諧振器之間的耦合關系，沒有考慮在一定的范圍內的微帶線之間的耦合關系，這樣的簡化方法在計算時是非常簡便的，但是卻給設計帶來了一定的誤差。并且在仿真結果上也產生了一些的誤差。產生這些誤差的原因主要是因為在計算奇模、偶模特性阻抗取了近似值，軟件仿真過程中及結果輸出時都取了數(shù)據(jù)的近似值，多次的近似取值，就會產生與真實值大的差距，致使結果出現(xiàn)出現(xiàn)大的出入，因此要對微帶線的各個物理尺寸調大或者調小，這就需要利用ADS軟件的自動優(yōu)化功能對微帶線的各個尺寸進行優(yōu)化。自動優(yōu)化功能是ADS軟件的一個很大的優(yōu)點，因為有了這樣的功能，設計師們能夠方便簡單地設計濾波器，大大縮短了濾波器的設