實驗四微帶線帶通濾波器設(shè)計

1、實驗四：基于ADS軟件的平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計與仿真一、 實驗原理濾波器是用來分離不同頻率信號的一種器件，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，微帶電路具有體積小， 重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點，在微波電路系統(tǒng)應(yīng)用廣泛， 其中用微帶做濾波器是其主要應(yīng)用之一。平行耦合微帶線帶通濾波器在微波集成電路中是被廣為應(yīng)用的帶通濾波器。1、 濾波器的介紹濾波波器可以分為四種：低通濾波器和高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。射頻濾波器又可以分為以下波導(dǎo)濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器。濾波的性能指標： 頻率范圍：濾波器通過或截斷信號的頻率界限 通帶衰減：濾波器殘存的反射

2、以及濾波器元件的損耗引起 阻帶衰減：取通帶外與截止頻率為一定比值的某頻率的衰減值 寄生通帶：有分布參數(shù)的頻率周期性引起，在通帶外又產(chǎn)生新的通帶2、平行耦合微帶線濾波器的理論當頻率達到或接近GHz時，濾波器通常由分布參數(shù)元件構(gòu)成，平行耦合微帶傳輸線由兩個無屏蔽的平行微帶傳輸線緊靠在一起構(gòu)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，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(gòu)成帶通濾波器，這種濾波器是由四分之一波長耦合線段構(gòu)成，她是一種常用的分布參數(shù)帶通濾波器。當兩個無屏蔽的傳輸線緊靠一起時， 由于傳輸線之間電磁場的相互作用， 在傳輸線之間會有功率耦合， 這種傳輸

3、線稱之為耦合傳輸線。根據(jù)傳輸線理論， 每條單獨的微帶線都等價為小段串聯(lián)電感和小段并聯(lián)電容。每條微帶線的特性阻抗為Z0， 相互耦合的部分長度為L， 微帶線的寬度為W， 微帶線之間的距離為S， 偶模特性阻抗為Z e， 奇模特性阻抗為Z0。單個微帶線單元雖然具有濾波特性， 但其不能提供陡峭的通帶到阻帶的過渡。如果將多個單元級聯(lián)， 級聯(lián)后的網(wǎng)絡(luò)可以具有良好的濾波特性。二、 耦合微帶線濾波器的設(shè)計的流程1、 確定濾波器指標2、 計算查表確定濾波器級數(shù)N3、 確定標準濾波器參數(shù)4、 計算傳輸線奇偶模特性阻抗5、 計算微帶線尺寸6、 仿真7、 優(yōu)化再仿真得到波形圖設(shè)計參數(shù)要求：（1） 中心頻率：2.4GHz

4、；（2） 相對帶寬：9%；（3） 帶內(nèi)波紋：<0.5dB；（4） 在頻率1.9GHz和2.9GHz處，衰減>20dB；（5） 輸入輸出阻抗：50。三、 具體設(shè)計步驟第一步：先用設(shè)計向?qū)гO(shè)計原理圖：（1）打開ADS窗口，建立工程（2）在原理圖窗口中的工具欄中選擇【DesignGuide】>【Filter】> 【Filter Control Window】單擊確定后，彈出向?qū)гO(shè)計窗口，選擇Filter Assistant選項，在窗口中輸入Fs1=1.9，F(xiàn)s2=2.9，F(xiàn)p1=2.29，F(xiàn)p2=2.5，Ap=0.2，As=24.6，得到所需要的波形以及階數(shù)N=3把參數(shù)要求輸

5、進去得到原理圖：第二步：由生成原理圖可以知道用三階可以實現(xiàn)。下面計算參數(shù)：1、確定下邊頻和歸一化帶寬。假設(shè)下邊頻為1、上變頻為2、中心頻率為0，歸一化帶寬為：=(2-1)/ 0,其中0=2.4GHz，=9%得到2-1=0.216 GHz 又2+1=4.8 GHz所以1=2.292 GHz 2=2.508 GHz（1）計算低通濾波器原型參數(shù)。3階、帶內(nèi)波紋小于0.5dB的切比雪夫濾波器原型參數(shù)通過查表得 g1=1.5963 ；g2=1.0967 ； g3=1.5963（2）計算每節(jié)奇偶模的特性阻抗，濾波器需要4節(jié)耦合微帶線連級，由以下公式計算（3）計算得到各個參數(shù)如下表所示：節(jié)偶模特性阻抗奇模特

6、性阻抗169.339.5255.945.2355.945.2469.339.5系統(tǒng)阻抗50 說明：上表的阻抗單位都為歐姆，導(dǎo)體帶的導(dǎo)體帶的寬度、導(dǎo)體帶的間隔藕合線的長度單位都為mm，相移角表示計算微帶線的時候為90度。四、設(shè)計平行耦合微帶線帶通濾波器原理圖 （1）創(chuàng)建項目啟動ADS軟件，彈出主視窗。選擇主視窗中的【file】菜單->【new project】，彈出【new project】對話框，在【new project】對話框輸入項目名稱和這個項目默認的長度單位。（2）利用ADS的計算工具tools完成對微帶濾波器的計算ADS軟件中的工具tools，可以對不同類型的傳輸線進

7、行計算，使用者可以利用計算工具提供的圖形化界面進行設(shè)計。對于平行耦合微帶線來說，可以進行物理尺寸和電參數(shù)之間的數(shù)值計算，若給定平行耦合微帶線奇模和偶模的特性阻抗，可以計算平行耦合微帶線導(dǎo)體帶的角度和間隔距離。下面利用ADS軟件提供的計算工具，完成對平行耦合微帶線的計算。在原理圖上，選擇【tools】菜單->【LineCalc】->【Start LineCalc】命令，彈出【LineCalc】計算窗口。如圖示。設(shè)置所需參數(shù)。在【LineCalc】計算窗口選擇如下： Er=2.7，表示微帶線基板的相對介電常數(shù)為2.7。 Mur=1，表示微帶線的相對磁導(dǎo)率為1。 H=1mm，表示微帶線基

8、板的厚度為1mm。 Hu=1.0e+033，表示微帶線的封裝高度為1.0e+033。 T=0.05mm，表示微帶線的導(dǎo)體厚度為0.05mm。 Cond=5.8E+7，表示微帶線導(dǎo)體的電導(dǎo)率為5.8E+7。 TanD=0.0003，表示微帶線的損耗角正切為0.0003. Freq=2.4GHZ，表示計算時采用的頻率為2.4GHZ. Ze，表示計算時偶模的特性阻抗。 Zo，表示計算時奇模的特性阻抗。這樣通過計算工具可以依次算出微帶線的尺寸節(jié)偶模特性阻抗奇模特性阻抗相移導(dǎo)體帶的寬度導(dǎo)體帶的間隔藕合線的長度169.339.5902.262190.2710121.4913255.945.2902.570

9、11.2401321.0792355.945.2902.57011.2401321.0792469.339.5902.262190.2710121.4913系統(tǒng)阻抗50  2.633 20.9949（3）設(shè)計微帶線原理圖 a、在原理圖的元件面板列表中，選擇微帶線【TLines-Microstrip】，元件面板上出現(xiàn)與微帶線對應(yīng)的元件圖標。 b、在微帶線元件面板上選擇Mcfil，4次插入原理圖的畫圖區(qū)，Mcfil是一段長度的平行耦合微帶線，可以設(shè)置這段平行耦合微帶線的導(dǎo)體帶寬度W，導(dǎo)體帶間隔S和長度L。分別雙擊畫圖區(qū)的4個Mcfil，將4個Mcfil的數(shù)值根據(jù)列表中

10、的數(shù)值設(shè)置，如圖所示。c、在微帶線元件面板上選擇MLIN，兩次插入原理圖的畫圖區(qū)，MLIN是一段長度的微帶線，可以設(shè)置這段微帶線的寬度W和長度L。分別雙擊可以設(shè)置。選擇S參數(shù)仿真元件面板，在元件面板上選擇負載終端Term，兩次插入原理圖，再插入兩次地線，完成連線如下圖（4）原理圖仿真 在仿真之前，首先設(shè)置S參數(shù)仿真控件SP，SP對原理圖中的仿真參量給出取值范圍，當S參數(shù)仿真控件SP確定后，就可以仿真了。 在S參數(shù)仿真元件面板【Simulation-S_Param】上，選擇S參數(shù)仿真控件SP，插入原理圖區(qū)，對S參數(shù)控件設(shè)置如下start=1.5GHz，stop=3.5GHz，step=2.0MH

11、z仿真后波形如下：序號頻率dB(S(21)M12.4GHz-0.646M22.3GHz-0.56M32.5GHz-10.817M41.9GHz-42.115M52.9GHz-39.476有上表中看出，雖然在2.9GH和1.9GHz時滿足要求，但在中心頻率2.4GHz偏移了，而且通帶的上限頻率和下限頻率都不滿足，帶內(nèi)波紋也不滿足。所以要進行優(yōu)化：（5）原理圖優(yōu)化修改平行微帶線段的取值方式，將平行耦合微帶線段的導(dǎo)體帶寬度W、兩個導(dǎo)體帶的間隔S和耦合微帶線的長度L設(shè)置為變量，并設(shè)置相鄰平行耦合微帶線的尺寸，分別在下面窗口中設(shè)置4段微帶線設(shè)置完成后，在原理圖的工具欄選擇【VAR】按鈕，插入原理圖的畫圖

12、區(qū)。在畫圖區(qū)雙擊VAR，彈出【Variables and Equations】對話框，在對話框中對變量w1、s1、l1、w2、s2、l2的范圍進行設(shè)置w1(1 to 3) w2(1 to 4) s1(0.2 to 0.5) s2(0.7 to 1.5) l1(20 to 30) l2(20 to 30)得到在原理圖中插入優(yōu)化控件Optim，雙擊優(yōu)化控件Optim，設(shè)置優(yōu)化次數(shù)為100次在原理圖中插入3個目標控件DOE GOAL,雙擊設(shè)置如下最后所得的優(yōu)化原理圖為最后通過工具欄中【Simulate】>【Tuning】進行調(diào)諧得到仿真的波形圖如下，優(yōu)化后的值如下表：節(jié)偶模特性阻抗奇模特性阻抗相移導(dǎo)體帶的寬度優(yōu)化后的導(dǎo)體帶的寬度導(dǎo)體帶的間隔優(yōu)化后導(dǎo)體帶的間隔藕合線的長度優(yōu)化后的藕合線的長度169.339.5902.262191.620210.271010.13621.491321.4913255.945.2902.57011.291.240131.161321.079221.0792355.945.2902.57011.291.240131.161321.079221.0792469.339.5902.262191.620210.271010.13621.491321.4913系統(tǒng)阻抗502.63320.9949序號頻率dB(S(2,1)M12.3GHz-0.469M2