實驗1射頻濾波器的設(shè)計制作與調(diào)試課件

實驗一

射頻濾波器的設(shè)計

制作與調(diào)試

實驗一

射頻濾波器的設(shè)計

制作與調(diào)試1（一）實驗?zāi)康牧私馍漕l濾波電路的原理及設(shè)計方法。學(xué)習(xí)使用ADS軟件進(jìn)行射頻電路的設(shè)計，優(yōu)化，仿真。掌握射頻濾波器的制作及調(diào)試方法。（一）實驗?zāi)康牧私馍漕l濾波電路的原理及設(shè)計方法。2（二）實驗內(nèi)容使用ADS軟件設(shè)計一個微帶帶通濾波器，并對其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、仿真。根據(jù)軟件設(shè)計的結(jié)果繪制電路版圖，并加工成電路板。對加工好的電路進(jìn)行調(diào)試，使其滿足設(shè)計要求。（二）實驗內(nèi)容使用ADS軟件設(shè)計一個微帶帶通濾波器，并對其參3（三）微帶濾波器的技術(shù)指標(biāo)通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏

阻帶邊界頻率與阻帶衰減通帶的輸入電壓駐波比通帶內(nèi)相移與群時延寄生通帶（三）微帶濾波器的技術(shù)指標(biāo)通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏4（三）微帶濾波器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）前兩項是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性能和種類(高通、低通、帶通、帶阻等)。輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小。群時延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為d/df，群時延為常數(shù)時，信號通過網(wǎng)絡(luò)才不會產(chǎn)生相位失真。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(shè)計通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計時要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。

（三）微帶濾波器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）前兩項是描述衰減特性的，是濾5（四）ADS軟件的使用本節(jié)內(nèi)容是介紹使用ADS軟件設(shè)計微帶帶通濾波器的方法：包括原理圖繪制，電路參數(shù)的優(yōu)化、仿真，版圖的仿真等。下面開始按順序詳細(xì)介紹ADS軟件的使用方法。（四）ADS軟件的使用本節(jié)內(nèi)容是介紹使用ADS軟件設(shè)計微帶帶6ADS軟件的啟動啟動ADS進(jìn)入如下界面ADS軟件的啟動啟動ADS進(jìn)入如下界面7創(chuàng)建新的工程文件點擊File->NewProject設(shè)置工程文件名稱（本例中為Filter）及存儲路徑點擊LengthUnit設(shè)置長度單位為毫米創(chuàng)建新的工程文件點擊File->NewProject設(shè)置工8創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口變?yōu)橄聢D創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口變?yōu)橄聢D9創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）同時原理圖設(shè)計窗口打開創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）同時原理圖設(shè)計窗口打開10微帶濾波器的設(shè)計平行耦合線帶通濾波器的設(shè)計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(gòu)成諧振電路。我們以這種結(jié)構(gòu)的濾波器為例，介紹一下設(shè)計的過程。等效電路微帶濾波器的設(shè)計平行耦合線帶通濾波器的設(shè)計等效電路11微帶濾波器的設(shè)計（續(xù)）設(shè)計指標(biāo)：通帶3.0－3.1GHz，帶內(nèi)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-20dB。在進(jìn)行設(shè)計時，主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真。S21(S12)是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在S21(S12)隨頻率變化曲線的形狀上。S11(S22)參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，由它可以換算出輸入、輸出端的電壓駐波比。如果反射系數(shù)過大，就會導(dǎo)致反射損耗增大，并且影響系統(tǒng)的前后級匹配，使系統(tǒng)性能下降。微帶濾波器的設(shè)計（續(xù)）設(shè)計指標(biāo)：通帶3.0－3.1GHz，帶12生成濾波器的原理圖在原理圖設(shè)計窗口中選擇微帶電路的工具 欄窗口左側(cè)的工具欄變?yōu)橛覉D所示在工具欄中點擊選擇耦合線Mcfil 并在右側(cè)的繪圖區(qū)放置選擇微帶線MLIN以及控件 MSUB分別放置在繪圖區(qū)中選擇畫線工具將電路連接好， 連接方式見下頁圖生成濾波器的原理圖在原理圖設(shè)計窗口中選擇微帶電路的工具13生成濾波器的原理圖（續(xù)）

生成濾波器的原理圖（續(xù)）14設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)上頁圖中五個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雙擊圖上的控件MSUB設(shè)置微帶線參數(shù)H:基板厚度(0.8mm)Er:基板相對介電常數(shù)(4.3)Mur:磁導(dǎo)率(1)Cond:金屬電導(dǎo)率(5.88E+7)Hu:封裝高度(1.0e+33mm)T:金屬層厚度(0.03mm)TanD:損耗角正切(1e-4)Roungh:表面粗糙度(0mm)設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)上頁圖中五個Mcfil表示濾波器的五個15設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)（續(xù)）修改微帶線參數(shù)窗口(左圖)，也可以點擊MSUB下面的文字直接進(jìn)行修改(右圖)，但要注意數(shù)字與單位之間有一個空格.設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)（續(xù)）修改微帶線參數(shù)窗口(左圖)，也可16微帶線計算工具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->StartLinecalc，出現(xiàn)一個新的窗口(如下頁圖)。在窗口的SubstrateParameters欄中填入與MSUB中相同的微帶線參數(shù)。在CpmpnetParameters填入中心頻率(本例中為3.05GHz)。Physical欄中的W和L分別表示微帶線的寬和長。Electrical欄中的Z0和E_Eff分別表示微帶線的特性阻抗和相位延遲。點擊Synthesize和Analyze欄中的箭頭，可以進(jìn)行W、L與Z0、E_Eff間的相互換算。填入50Ohm和90deg可以算出微帶線的線寬1.52mm和長度13.63mm(四分之一波長)。17微帶線計算工具濾波器兩邊的引出線是特性阻抗為50歐姆的微帶線微帶線計算工具（續(xù)）

微帶線計算工具（續(xù)）18微帶線計算工具（續(xù)）另外打開的一個窗口顯示當(dāng)前運算狀態(tài)以及錯誤信息。微帶線計算工具（續(xù)）另外打開的一個窗口顯示當(dāng)前運算狀態(tài)以及錯19設(shè)置微帶器件的參數(shù)雙擊兩邊的引出線TL1、TL2，分別將其寬與長設(shè)為1.52mm和2.5mm(其中線長只是暫定，以后制作版圖時還會修改)。平行耦合線濾波器的結(jié)構(gòu)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的尺寸是相同的。耦合線的這些參數(shù)是濾波器設(shè)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。雙擊每個耦合線節(jié)設(shè)置參數(shù)，W、S、L分別設(shè)為相應(yīng)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(cè)的微帶器件的線寬，它們用來確定器件間的位置關(guān)系。在設(shè)置W1、W2時，為了讓它們顯示在原理圖上，要把Displayparameteronschematic的選項勾上。設(shè)置微帶器件的參數(shù)雙擊兩邊的引出線TL1、TL2，分別將其寬20耦合線節(jié)參數(shù)設(shè)置窗口

耦合線節(jié)參數(shù)設(shè)置窗口21設(shè)置微帶器件參數(shù)后的原理圖

設(shè)置微帶器件參數(shù)后的原理圖22添加變量單擊工具欄上的VAR圖標(biāo)，把變量控件VAR放置在原理圖上，雙擊該圖標(biāo)彈出變量設(shè)置窗口，依次添加各耦合線節(jié)的W，L，S參數(shù)。在name欄中填變量名稱，VariableValue欄中填變量的初值，點擊Add添加變量，然后單擊Optimization/StatisticsSetup…按鈕設(shè)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（見下頁圖）。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0.2mm(最好取0.5mm以上)。添加變量單擊工具欄上的VAR圖標(biāo)，把變量控件VAR23變量設(shè)置窗口

變量設(shè)置窗口24S參數(shù)仿真電路設(shè)置在原理圖設(shè)計窗口中選擇S參數(shù)仿真的工具欄選擇Term放置在濾波器兩邊，用來定義端口1和2，點擊圖標(biāo)，放置兩個地，并按照下頁圖連接好電路。選擇S參數(shù)掃描控件放置在原理圖中，并設(shè)置掃描的頻率范圍和步長，頻率范圍根據(jù)濾波器的指標(biāo)確定(要包含通帶和阻帶的頻率范圍)。S參數(shù)仿真電路設(shè)置在原理圖設(shè)計窗口中選擇S參數(shù)仿真的工具欄25S參數(shù)仿真電路設(shè)置（續(xù)）

S參數(shù)仿真電路設(shè)置（續(xù)）26優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置在原理圖設(shè)計窗口中選擇優(yōu)化工具欄選擇優(yōu)化設(shè)置控件放置在原理圖中，雙擊該控件設(shè)置優(yōu)化方法及優(yōu)化次數(shù)。常用的優(yōu)化方法有Random(隨機)、Gradient(梯度)等。隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置在原理圖設(shè)計窗口中選擇優(yōu)化工具欄27優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）選擇優(yōu)化目標(biāo)控件Goal放置在原理圖中，雙擊該控件設(shè)置其參數(shù)。Expr是優(yōu)化目標(biāo)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SP1Min和Max是優(yōu)化目標(biāo)的最小與最大值。Weight是指優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重。RangeVar[1]是優(yōu)化目標(biāo)所依賴的變量，這里為頻率freq。RangeMin[1]和RangeMax[1]是上述變量的變化范圍。優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）選擇優(yōu)化目標(biāo)控件Goal放置28優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）

優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）29優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）這里總共設(shè)置了四個優(yōu)化目標(biāo)，前三個的優(yōu)化參數(shù)都是S21，用來設(shè)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于2dB，阻帶衰減大于40dB)，最后一個的優(yōu)化參數(shù)是S11，用來設(shè)定通帶內(nèi)的反射系數(shù)(這里要求小于-20dB)，具體數(shù)值見下頁圖。由于原理圖仿真和實際情況會有一定的偏差，在設(shè)定優(yōu)化參數(shù)時，可以適當(dāng)增加通帶寬度。對于其它的參數(shù)，也可以根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行一定的調(diào)整。優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）這里總共設(shè)置了四個優(yōu)化目標(biāo)，前三個的優(yōu)化30優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）

優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）31進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后最好先把原理圖存儲一下，然后就可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化了。點擊工具欄中的Simulate按鈕就開始進(jìn)行優(yōu)化仿真了。在優(yōu)化過程中會打開一個狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化的結(jié)果(見下頁圖)，其中的CurrentEF表示與優(yōu)化目標(biāo)的偏差，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標(biāo)，0表示達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)，下面還列出了各優(yōu)化變量的值，當(dāng)優(yōu)化結(jié)束時還會打開圖形顯示窗口。在一次優(yōu)化完成后，要點擊原理圖窗口菜單中的Simulate->UpdateOptimizationValues保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當(dāng)前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存。進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后最好先把原理圖存儲一下，然后就可32進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化（續(xù)）經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化后，CurrentEf的值為0，即為優(yōu)化結(jié)束。優(yōu)化過程中根據(jù)情況可能會對優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量的取值范圍、優(yōu)化方法及次數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化（續(xù)）經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化后，CurrentEf的值為033觀察仿真曲線優(yōu)化完成后必須關(guān)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按鈕，然后點擊優(yōu)化控件OPTIM，則控件上打了紅叉表示已經(jīng)被關(guān)掉。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(fù)了。對于原理圖上其他的部件，如果想使其關(guān) 閉或開啟，也可以采取同樣的方法。觀察仿真曲線優(yōu)化完成后必須關(guān)掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。34關(guān)閉優(yōu)化控件后的原理圖

關(guān)閉優(yōu)化控件后的原理圖35觀察仿真曲線點擊工具欄中的Simulate按鈕進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后會出現(xiàn)圖形顯示窗口。觀察仿真曲線點擊工具欄中的Simulate按鈕進(jìn)36觀察仿真曲線（續(xù)）點擊圖形顯示窗口左側(cè)工具欄中的按鈕，放置一個方框到圖形窗口中，這時會彈出一個設(shè)置窗口(見下頁圖)，在窗口左側(cè)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(shè)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。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(jié)構(gòu)，S11與S22，以及S21與S12曲線是相同的。為了準(zhǔn)確讀出曲線上的值，可以添加Marker，方法是點擊菜單中的Marker->New，出現(xiàn)InstertMarker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(biāo)志，點擊拖動此標(biāo)志，可以看到曲線上各點的數(shù)值。觀察仿真曲線（續(xù)）點擊圖形顯示窗口左側(cè)工具欄中的37選擇仿真曲線參數(shù)及其單位選擇仿真曲線參數(shù)及其單位38觀察仿真曲線觀察仿真曲線39觀察仿真曲線（續(xù)）觀察S11(S22)和S21(S12)曲線是否滿足指標(biāo)要求(包括優(yōu)化目標(biāo)中未設(shè)定的帶內(nèi)起伏小于1dB的要求)，如果已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求，就可以進(jìn)行版圖的仿真了。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進(jìn)行計算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計算比較復(fù)雜，需要較長的時間，在此作為對原理圖設(shè)計的驗證。所以在版圖仿真前要看一下相鄰各耦合線節(jié)的微帶線寬是否相差過大，如果相差過大就會造成原理圖和版圖仿真有較大的差別，這就需要改變變量初值重新進(jìn)行優(yōu)化。觀察仿真曲線（續(xù)）觀察S11(S22)和S21(S12)曲40版圖的仿真首先要由原理圖生成版圖，生成版圖前先要把原理圖中用于S參數(shù)仿真的兩個Term以及接地去掉，不讓他們出現(xiàn)在生成的原理圖中。去掉的方法與前面關(guān)掉優(yōu)化控件的相同，都是使用按鈕，把這些元件打上紅叉(見下頁圖)。然后點擊菜單中的Layout->Generate/UpdateLayout，彈出一個設(shè)置窗口，直接點OK，又出現(xiàn)一個窗口，再點OK，完成版圖的生成，這時會打開一個顯示版圖的窗口，里面有剛生成的版圖(見后面幾頁的圖)。版圖的仿真首先要由原理圖生成版圖，生成版圖前先要把原理圖中用41用于生成版圖的原理圖用于生成版圖的原理圖42生成版圖的設(shè)置窗口

生成版圖的設(shè)置窗口43版圖仿真的窗口

版圖仿真的窗口44版圖的仿真版圖生成后先要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)(即原理圖中MSUB里的參數(shù))，方法是點擊版圖窗口菜單中的Momentum->Substrate->UpdateFromSchematic從原理圖中獲得這些參數(shù)，點擊Momentum->Substrate->Create/Modify可 以修改這些參數(shù)。版圖的仿真版圖生成后先要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)(即原理圖中M45版圖的仿真（續(xù)）為了進(jìn)行S參數(shù)仿真還要在濾波器兩側(cè)添加兩個端口，做法是點擊工具欄上的Port按鈕，彈出port設(shè)置窗口，點擊OK關(guān)閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別點擊加上兩個port，將版圖放大后可以看到兩個端口(見下圖中的P1、P2)。版圖的仿真（續(xù)）為了進(jìn)行S參數(shù)仿真還要在濾波器兩側(cè)添加兩個端46版圖的仿真（續(xù)）點擊Momentum->Simulation->S-parameter彈出仿真設(shè)置窗口，該窗口右側(cè)的SweepType選擇Adaptive，起止頻率設(shè)為與原理圖中相同，采樣點數(shù)限制取10(因為仿真很慢，所以點數(shù)不要取得太多)。然后點擊Update按鈕，將設(shè)置填入左側(cè)列表中，點擊Simulate按鈕開始進(jìn)行仿真。仿真過程中會出現(xiàn)一個狀態(tài)窗口顯示仿真進(jìn)程(見下頁圖)。仿真運算要進(jìn)行數(shù)分鐘，仿真結(jié)束后將出現(xiàn)曲線顯示窗口，觀察S11和S21曲線，性能有不同程度的惡化，此處要求S21在通帶內(nèi)衰減小于2.5dB，起伏小于1dB，阻帶衰減大于40dB。S11在通帶內(nèi)最好小于-15dB。版圖的仿真（續(xù)）點擊Momentum->Simulati47版圖仿真設(shè)置窗口以及狀態(tài)窗口

版圖仿真設(shè)置窗口以及狀態(tài)窗口48版圖仿真的曲線

版圖仿真的曲線49版圖的仿真如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標(biāo)要求，那么要重新回到原理圖窗口進(jìn)行優(yōu)化仿真，產(chǎn)生這種情況的原因是相鄰耦合線節(jié)間的線寬相差過大或者其它的參數(shù)取值不合適，可以改變優(yōu)化變量的初值，也可根據(jù)曲線與指標(biāo)的差別情況適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)，重新進(jìn)行優(yōu)化。在返回原理圖重新優(yōu)化時，要先使剛才打紅上叉的部件恢復(fù)有效，然后才能進(jìn)行優(yōu)化，之后重復(fù)前面所述的過程，直到版圖仿真的結(jié)果達(dá)到要求為止。版圖的仿真如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標(biāo)要求，那么要重新回50其他參數(shù)在進(jìn)行原理圖仿真時，還可以看到濾波器的群時延以及輸入的電壓駐波比等參數(shù)。雙擊S參數(shù)控件，在其設(shè)置窗口的Parameters選項卡中勾上Groupdelay選項，就會在仿真時計算群時延。把左側(cè)工具欄設(shè)為，并把VSWR控件放置在原理圖中，即可計算輸入駐波比。要觀察這兩個參數(shù)的曲線，只需在仿真后出現(xiàn)的圖形顯示窗口中添加delay(2,1)及VSWR的曲線即可。在優(yōu)化完成后，還可以把S參數(shù)仿真的頻率范圍加大，看看濾波器的寄生通帶出現(xiàn)在什么頻率上。其他參數(shù)在進(jìn)行原理圖仿真時，還可以看到濾波器的群時延以及輸入51ADS使用小結(jié)以上介紹了使用ADS進(jìn)行微帶電路設(shè)計的一些基本方法，在實際使用軟件時還會遇到各種具體的問題，多看Help是最好的解決方法。在優(yōu)化仿真過程中，要明確物理概念，避免無意義的工作。ADS軟件的功能十分強大，應(yīng)用很廣，這里我們只介紹了其中很少的一部分，如果對其他功能感興趣的話，可以看看它的ExamplePrpject，這樣會對它的應(yīng)用有更全面的了解。ADS使用小結(jié)以上介紹了使用ADS進(jìn)行微帶電路設(shè)計的一些基本52（五）電路版圖的繪制仿真完成后要根據(jù)結(jié)果用Protel軟件繪制電路版圖，繪制版圖時要注意以下幾點。所用電路板是普通的雙層板，上層用來繪制電路，下層整個作為接地。在繪制版圖時受加工工藝的限制，尺寸精度到0.01mm即可，線寬和縫隙寬度要大于0.2mm考慮到加工電路板時的側(cè)向腐蝕問題，微帶線的寬度和長度要適當(dāng)增加。版圖的大小要符合規(guī)定尺寸，以便于安裝在測試架上。（五）電路版圖的繪制仿真完成后要根據(jù)結(jié)果用Protel軟件繪53（六）濾波器電路的調(diào)試對照設(shè)計的版圖檢查、測量加工好的微帶電路板上各段微帶線以及縫隙的實際尺寸，并作記錄。將電路板安裝到測試架上。按下面的測試框圖用網(wǎng)絡(luò)分析儀（型號為Agilent8714ES）對濾波器的各項指標(biāo)進(jìn)行測試（網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用參照儀器說明書）。（六）濾波器電路的調(diào)試對照設(shè)計的版圖檢查、測量加工好的微帶電54濾波器電路的調(diào)試（續(xù)）需要測試的參數(shù)主要有以下幾個S11，S22：輸入、輸出端口的反射系數(shù)S21，S12：正向、反向傳輸系數(shù)Groupdelay：群時延觀察網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的結(jié)果是否達(dá)到指標(biāo)要求并與前面仿真的結(jié)果做比較。把實際測量的電路尺寸置于ADS軟件中進(jìn)行仿真，把結(jié)果與實際測量結(jié)果相比較。如果測試結(jié)果與設(shè)計要求相差過多，則需對電路進(jìn)行調(diào)整，直至重新進(jìn)行設(shè)計、制板。濾波器電路的調(diào)試（續(xù)）需要測試的參數(shù)主要有以下幾個55思考題如果測試中發(fā)現(xiàn)濾波器通帶的中心頻率偏高50MHz，則應(yīng)當(dāng)增加還是減小耦合線節(jié)的長度，才能使通帶移到正確的頻率？信號通過濾波器時產(chǎn)生的衰減可能來自哪幾個方面？思考題如果測試中發(fā)現(xiàn)濾波器通帶的中心頻率偏高50MHz，則應(yīng)56實驗一

射頻濾波器的設(shè)計

制作與調(diào)試

實驗一

射頻濾波器的設(shè)計

制作與調(diào)試57（一）實驗?zāi)康牧私馍漕l濾波電路的原理及設(shè)計方法。學(xué)習(xí)使用ADS軟件進(jìn)行射頻電路的設(shè)計，優(yōu)化，仿真。掌握射頻濾波器的制作及調(diào)試方法。（一）實驗?zāi)康牧私馍漕l濾波電路的原理及設(shè)計方法。58（二）實驗內(nèi)容使用ADS軟件設(shè)計一個微帶帶通濾波器，并對其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、仿真。根據(jù)軟件設(shè)計的結(jié)果繪制電路版圖，并加工成電路板。對加工好的電路進(jìn)行調(diào)試，使其滿足設(shè)計要求。（二）實驗內(nèi)容使用ADS軟件設(shè)計一個微帶帶通濾波器，并對其參59（三）微帶濾波器的技術(shù)指標(biāo)通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏

阻帶邊界頻率與阻帶衰減通帶的輸入電壓駐波比通帶內(nèi)相移與群時延寄生通帶（三）微帶濾波器的技術(shù)指標(biāo)通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏60（三）微帶濾波器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）前兩項是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性能和種類(高通、低通、帶通、帶阻等)。輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小。群時延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為d/df，群時延為常數(shù)時，信號通過網(wǎng)絡(luò)才不會產(chǎn)生相位失真。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(shè)計通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計時要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。

（三）微帶濾波器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）前兩項是描述衰減特性的，是濾61（四）ADS軟件的使用本節(jié)內(nèi)容是介紹使用ADS軟件設(shè)計微帶帶通濾波器的方法：包括原理圖繪制，電路參數(shù)的優(yōu)化、仿真，版圖的仿真等。下面開始按順序詳細(xì)介紹ADS軟件的使用方法。（四）ADS軟件的使用本節(jié)內(nèi)容是介紹使用ADS軟件設(shè)計微帶帶62ADS軟件的啟動啟動ADS進(jìn)入如下界面ADS軟件的啟動啟動ADS進(jìn)入如下界面63創(chuàng)建新的工程文件點擊File->NewProject設(shè)置工程文件名稱（本例中為Filter）及存儲路徑點擊LengthUnit設(shè)置長度單位為毫米創(chuàng)建新的工程文件點擊File->NewProject設(shè)置工64創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口變?yōu)橄聢D創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口變?yōu)橄聢D65創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）同時原理圖設(shè)計窗口打開創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）同時原理圖設(shè)計窗口打開66微帶濾波器的設(shè)計平行耦合線帶通濾波器的設(shè)計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(gòu)成諧振電路。我們以這種結(jié)構(gòu)的濾波器為例，介紹一下設(shè)計的過程。等效電路微帶濾波器的設(shè)計平行耦合線帶通濾波器的設(shè)計等效電路67微帶濾波器的設(shè)計（續(xù)）設(shè)計指標(biāo)：通帶3.0－3.1GHz，帶內(nèi)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-20dB。在進(jìn)行設(shè)計時，主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真。S21(S12)是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在S21(S12)隨頻率變化曲線的形狀上。S11(S22)參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，由它可以換算出輸入、輸出端的電壓駐波比。如果反射系數(shù)過大，就會導(dǎo)致反射損耗增大，并且影響系統(tǒng)的前后級匹配，使系統(tǒng)性能下降。微帶濾波器的設(shè)計（續(xù)）設(shè)計指標(biāo)：通帶3.0－3.1GHz，帶68生成濾波器的原理圖在原理圖設(shè)計窗口中選擇微帶電路的工具 欄窗口左側(cè)的工具欄變?yōu)橛覉D所示在工具欄中點擊選擇耦合線Mcfil 并在右側(cè)的繪圖區(qū)放置選擇微帶線MLIN以及控件 MSUB分別放置在繪圖區(qū)中選擇畫線工具將電路連接好， 連接方式見下頁圖生成濾波器的原理圖在原理圖設(shè)計窗口中選擇微帶電路的工具69生成濾波器的原理圖（續(xù)）

生成濾波器的原理圖（續(xù)）70設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)上頁圖中五個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雙擊圖上的控件MSUB設(shè)置微帶線參數(shù)H:基板厚度(0.8mm)Er:基板相對介電常數(shù)(4.3)Mur:磁導(dǎo)率(1)Cond:金屬電導(dǎo)率(5.88E+7)Hu:封裝高度(1.0e+33mm)T:金屬層厚度(0.03mm)TanD:損耗角正切(1e-4)Roungh:表面粗糙度(0mm)設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)上頁圖中五個Mcfil表示濾波器的五個71設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)（續(xù)）修改微帶線參數(shù)窗口(左圖)，也可以點擊MSUB下面的文字直接進(jìn)行修改(右圖)，但要注意數(shù)字與單位之間有一個空格.設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)（續(xù)）修改微帶線參數(shù)窗口(左圖)，也可72微帶線計算工具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->StartLinecalc，出現(xiàn)一個新的窗口(如下頁圖)。在窗口的SubstrateParameters欄中填入與MSUB中相同的微帶線參數(shù)。在CpmpnetParameters填入中心頻率(本例中為3.05GHz)。Physical欄中的W和L分別表示微帶線的寬和長。Electrical欄中的Z0和E_Eff分別表示微帶線的特性阻抗和相位延遲。點擊Synthesize和Analyze欄中的箭頭，可以進(jìn)行W、L與Z0、E_Eff間的相互換算。填入50Ohm和90deg可以算出微帶線的線寬1.52mm和長度13.63mm(四分之一波長)。73微帶線計算工具濾波器兩邊的引出線是特性阻抗為50歐姆的微帶線微帶線計算工具（續(xù)）

微帶線計算工具（續(xù)）74微帶線計算工具（續(xù)）另外打開的一個窗口顯示當(dāng)前運算狀態(tài)以及錯誤信息。微帶線計算工具（續(xù)）另外打開的一個窗口顯示當(dāng)前運算狀態(tài)以及錯75設(shè)置微帶器件的參數(shù)雙擊兩邊的引出線TL1、TL2，分別將其寬與長設(shè)為1.52mm和2.5mm(其中線長只是暫定，以后制作版圖時還會修改)。平行耦合線濾波器的結(jié)構(gòu)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的尺寸是相同的。耦合線的這些參數(shù)是濾波器設(shè)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。雙擊每個耦合線節(jié)設(shè)置參數(shù)，W、S、L分別設(shè)為相應(yīng)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(cè)的微帶器件的線寬，它們用來確定器件間的位置關(guān)系。在設(shè)置W1、W2時，為了讓它們顯示在原理圖上，要把Displayparameteronschematic的選項勾上。設(shè)置微帶器件的參數(shù)雙擊兩邊的引出線TL1、TL2，分別將其寬76耦合線節(jié)參數(shù)設(shè)置窗口

耦合線節(jié)參數(shù)設(shè)置窗口77設(shè)置微帶器件參數(shù)后的原理圖

設(shè)置微帶器件參數(shù)后的原理圖78添加變量單擊工具欄上的VAR圖標(biāo)，把變量控件VAR放置在原理圖上，雙擊該圖標(biāo)彈出變量設(shè)置窗口，依次添加各耦合線節(jié)的W，L，S參數(shù)。在name欄中填變量名稱，VariableValue欄中填變量的初值，點擊Add添加變量，然后單擊Optimization/StatisticsSetup…按鈕設(shè)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（見下頁圖）。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0.2mm(最好取0.5mm以上)。添加變量單擊工具欄上的VAR圖標(biāo)，把變量控件VAR79變量設(shè)置窗口

變量設(shè)置窗口80S參數(shù)仿真電路設(shè)置在原理圖設(shè)計窗口中選擇S參數(shù)仿真的工具欄選擇Term放置在濾波器兩邊，用來定義端口1和2，點擊圖標(biāo)，放置兩個地，并按照下頁圖連接好電路。選擇S參數(shù)掃描控件放置在原理圖中，并設(shè)置掃描的頻率范圍和步長，頻率范圍根據(jù)濾波器的指標(biāo)確定(要包含通帶和阻帶的頻率范圍)。S參數(shù)仿真電路設(shè)置在原理圖設(shè)計窗口中選擇S參數(shù)仿真的工具欄81S參數(shù)仿真電路設(shè)置（續(xù)）

S參數(shù)仿真電路設(shè)置（續(xù)）82優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置在原理圖設(shè)計窗口中選擇優(yōu)化工具欄選擇優(yōu)化設(shè)置控件放置在原理圖中，雙擊該控件設(shè)置優(yōu)化方法及優(yōu)化次數(shù)。常用的優(yōu)化方法有Random(隨機)、Gradient(梯度)等。隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置在原理圖設(shè)計窗口中選擇優(yōu)化工具欄83優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）選擇優(yōu)化目標(biāo)控件Goal放置在原理圖中，雙擊該控件設(shè)置其參數(shù)。Expr是優(yōu)化目標(biāo)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SP1Min和Max是優(yōu)化目標(biāo)的最小與最大值。Weight是指優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重。RangeVar[1]是優(yōu)化目標(biāo)所依賴的變量，這里為頻率freq。RangeMin[1]和RangeMax[1]是上述變量的變化范圍。優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）選擇優(yōu)化目標(biāo)控件Goal放置84優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）

優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）85優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）這里總共設(shè)置了四個優(yōu)化目標(biāo)，前三個的優(yōu)化參數(shù)都是S21，用來設(shè)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于2dB，阻帶衰減大于40dB)，最后一個的優(yōu)化參數(shù)是S11，用來設(shè)定通帶內(nèi)的反射系數(shù)(這里要求小于-20dB)，具體數(shù)值見下頁圖。由于原理圖仿真和實際情況會有一定的偏差，在設(shè)定優(yōu)化參數(shù)時，可以適當(dāng)增加通帶寬度。對于其它的參數(shù)，也可以根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行一定的調(diào)整。優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）這里總共設(shè)置了四個優(yōu)化目標(biāo)，前三個的優(yōu)化86優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）

優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）87進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后最好先把原理圖存儲一下，然后就可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化了。點擊工具欄中的Simulate按鈕就開始進(jìn)行優(yōu)化仿真了。在優(yōu)化過程中會打開一個狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化的結(jié)果(見下頁圖)，其中的CurrentEF表示與優(yōu)化目標(biāo)的偏差，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標(biāo)，0表示達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)，下面還列出了各優(yōu)化變量的值，當(dāng)優(yōu)化結(jié)束時還會打開圖形顯示窗口。在一次優(yōu)化完成后，要點擊原理圖窗口菜單中的Simulate->UpdateOptimizationValues保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當(dāng)前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存。進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后最好先把原理圖存儲一下，然后就可88進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化（續(xù)）經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化后，CurrentEf的值為0，即為優(yōu)化結(jié)束。優(yōu)化過程中根據(jù)情況可能會對優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量的取值范圍、優(yōu)化方法及次數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化（續(xù)）經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化后，CurrentEf的值為089觀察仿真曲線優(yōu)化完成后必須關(guān)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按鈕，然后點擊優(yōu)化控件OPTIM，則控件上打了紅叉表示已經(jīng)被關(guān)掉。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(fù)了。對于原理圖上其他的部件，如果想使其關(guān) 閉或開啟，也可以采取同樣的方法。觀察仿真曲線優(yōu)化完成后必須關(guān)掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。90關(guān)閉優(yōu)化控件后的原理圖

關(guān)閉優(yōu)化控件后的原理圖91觀察仿真曲線點擊工具欄中的Simulate按鈕進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后會出現(xiàn)圖形顯示窗口。觀察仿真曲線點擊工具欄中的Simulate按鈕進(jìn)92觀察仿真曲線（續(xù)）點擊圖形顯示窗口左側(cè)工具欄中的按鈕，放置一個方框到圖形窗口中，這時會彈出一個設(shè)置窗口(見下頁圖)，在窗口左側(cè)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(shè)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。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(jié)構(gòu)，S11與S22，以及S21與S12曲線是相同的。為了準(zhǔn)確讀出曲線上的值，可以添加Marker，方法是點擊菜單中的Marker->New，出現(xiàn)InstertMarker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(biāo)志，點擊拖動此標(biāo)志，可以看到曲線上各點的數(shù)值。觀察仿真曲線（續(xù)）點擊圖形顯示窗口左側(cè)工具欄中的93選擇仿真曲線參數(shù)及其單位選擇仿真曲線參數(shù)及其單位94觀察仿真曲線觀察仿真曲線95觀察仿真曲線（續(xù)）觀察S11(S22)和S21(S12)曲線是否滿足指標(biāo)要求(包括優(yōu)化目標(biāo)中未設(shè)定的帶內(nèi)起伏小于1dB的要求)，如果已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求，就可以進(jìn)行版圖的仿真了。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進(jìn)行計算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計算比較復(fù)雜，需要較長的時間，在此作為對原理圖設(shè)計的驗證。所以在版圖仿真前要看一下相鄰各耦合線節(jié)的微帶線寬是否相差過大，如果相差過大就會造成原理圖和版圖仿真有較大的差別，這就需要改變變量初值重新進(jìn)行優(yōu)化。觀察仿真曲線（續(xù)）觀察S11(S22)和S21(S12)曲96版圖的仿真首先要由原理圖生成版圖，生成版圖前先要把原理圖中用于S參數(shù)仿真的兩個Term以及接地去掉，不讓他們出現(xiàn)在生成的原理圖中。去掉的方法與前面關(guān)掉優(yōu)化控件的相同，都是使用按鈕，把這些元件打上紅叉(見下頁圖)。然后點擊菜單中的Layout->Generate/UpdateLayout，彈出一個設(shè)置窗口，直接點OK，又出現(xiàn)一個窗口，再點OK，完成版圖的生成，這時會打開一個顯示版圖的窗口，里面有剛生成的版圖(見后面幾頁的圖)。版圖的仿真首先要由原理圖生成版圖，生成版圖前先要把原理圖中用97用于生成版圖的原理圖用于生成版圖的原理圖98生成版圖的設(shè)置窗口

生成版圖的設(shè)置窗口99版圖仿真的窗口

版圖仿真的窗口100版圖的仿真版圖生成后先要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)(即原理圖中MSUB里的參數(shù))，方法是點擊版圖窗口菜單中的Momentum->Substrate->UpdateFromSchematic從原理圖中獲得這些參數(shù)，點擊Momentum->Substrate->Create/Modify可 以修改這些參數(shù)。版圖的仿真版圖生成后先要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)(即原理圖中M101版圖的仿真（續(xù)）為了進(jìn)行S參數(shù)仿真還要在濾波器兩側(cè)添加兩個端口，做法是點擊工具欄上的Port按鈕，彈出port設(shè)置窗口，點擊OK關(guān)閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別點擊加上兩個port，將版圖放大后可以看到兩個端口(見下圖中的P1、P2)。版圖的仿真（續(xù)）為了進(jìn)行S參數(shù)仿真還要在濾波器兩側(cè)添加兩個端102版圖的仿真（續(xù)）點擊Momentum->Simulation->S-parameter彈出仿真設(shè)置窗口，該窗口右側(cè)的SweepType選擇Adaptive，起止頻率設(shè)為與原理圖中相同，采樣點數(shù)限制取10(因為仿真很慢，所以點數(shù)不要取得太多)。然后點擊Update按鈕，將設(shè)置填入左側(cè)列表中，點擊Simulate按鈕開始進(jìn)行仿真。仿真過程中會出現(xiàn)一個狀態(tài)窗口顯示仿真進(jìn)程(見下頁圖)。仿真運算要進(jìn)行數(shù)分鐘，仿真結(jié)束后將出現(xiàn)曲線顯示窗