實驗1射頻濾波器的設計制作與調試

實驗一

射頻濾波器的設計

制作與調試

1編輯ppt實驗一

射頻濾波器的設計

制作與調試（一）實驗目的了解射頻濾波電路的原理及設計方法。學習使用ADS軟件進行射頻電路的設計，優(yōu)化，仿真。掌握射頻濾波器的制作及調試方法。2編輯ppt（一）實驗目的了解射頻濾波電路的原理及設計方法。2編輯ppt（二）實驗內容使用ADS軟件設計一個微帶帶通濾波器，并對其參數(shù)進行優(yōu)化、仿真。根據(jù)軟件設計的結果繪制電路版圖，并加工成電路板。對加工好的電路進行調試，使其滿足設計要求。3編輯ppt（二）實驗內容使用ADS軟件設計一個微帶帶通濾波器，并對其參（三）微帶濾波器的技術指標通帶邊界頻率與通帶內衰減、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相移與群時延寄生通帶4編輯ppt（三）微帶濾波器的技術指標通帶邊界頻率與通帶內衰減、起伏4（三）微帶濾波器的技術指標（續(xù)）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、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)絡才不會產生相位失真。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。

5編輯ppt（三）微帶濾波器的技術指標（續(xù)）前兩項是描述衰減特性的，是濾（四）ADS軟件的使用本節(jié)內容是介紹使用ADS軟件設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介紹ADS軟件的使用方法。6編輯ppt（四）ADS軟件的使用本節(jié)內容是介紹使用ADS軟件設計微帶帶ADS軟件的啟動啟動ADS進入如下界面7編輯pptADS軟件的啟動啟動ADS進入如下界面7編輯ppt創(chuàng)建新的工程文件點擊File->NewProject設置工程文件名稱（本例中為Filter）及存儲路徑點擊LengthUnit設置長度單位為毫米8編輯ppt創(chuàng)建新的工程文件點擊File->NewProject設置工創(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編輯ppt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編輯創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）同時原理圖設計窗口打開10編輯ppt創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）同時原理圖設計窗口打開10編輯ppt微帶濾波器的設計平行耦合線帶通濾波器的設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)，構成諧振電路。我們以這種結構的濾波器為例，介紹一下設計的過程。等效電路11編輯ppt微帶濾波器的設計平行耦合線帶通濾波器的設計等效電路11編輯p微帶濾波器的設計（續(xù)）設計指標：通帶3.0－3.1GHz，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-20dB。在進行設計時，主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標進行優(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。12編輯ppt微帶濾波器的設計（續(xù)）設計指標：通帶3.0－3.1GHz，帶生成濾波器的原理圖在原理圖設計窗口中選擇微帶電路的工具 欄窗口左側的工具欄變?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13編輯ppt生成濾波器的原理圖在原理圖設計窗口中選擇微帶電路的工具13編生成濾波器的原理圖（續(xù)）

14編輯ppt生成濾波器的原理圖（續(xù)）14編輯ppt設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:磁導率(1)Cond:金屬電導率(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)15編輯ppt設置微帶電路的基本參數(shù)上頁圖中五個Mcfil表示濾波器的五個設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下面的文字直接進行修改(右圖)，但要注意數(shù)字與單位之間有一個空格.16編輯ppt設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)）

18編輯ppt微帶線計算工具（續(xù)）18編輯ppt微帶線計算工具（續(xù)）另外打開的一個窗口顯示當前運算狀態(tài)以及錯誤信息。19編輯ppt微帶線計算工具（續(xù)）另外打開的一個窗口顯示當前運算狀態(tài)以及錯設置微帶器件的參數(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。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Displayparameteronschematic的選項勾上。20編輯ppt設置微帶器件的參數(shù)雙擊兩邊的引出線TL1、TL2，分別將其寬耦合線節(jié)參數(shù)設置窗口

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

22編輯ppt設置微帶器件參數(shù)后的原理圖22編輯ppt添加變量單擊工具欄上的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)。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)。23編輯ppt添加變量單擊工具欄上的VAR圖標，把變量控件VAR變量設置窗口

24編輯ppt變量設置窗口24編輯pptS參數(shù)仿真電路設置在原理圖設計窗口中選擇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，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范圍)。25編輯pptS參數(shù)仿真電路設置在原理圖設計窗口中選擇S參數(shù)仿真的工具欄2S參數(shù)仿真電路設置（續(xù)）

26編輯pptS參數(shù)仿真電路設置（續(xù)）26編輯ppt優(yōu)化目標的設置在原理圖設計窗口中選擇優(yōu)化工具欄選擇優(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)。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27編輯ppt優(yōu)化目標的設置在原理圖設計窗口中選擇優(yōu)化工具欄27編輯ppt優(yōu)化目標的設置（續(xù)）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SP1Min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。RangeVar[1]是優(yōu)化目標所依賴的變量，這里為頻率freq。RangeMin[1]和RangeMax[1]是上述變量的變化范圍。28編輯ppt優(yōu)化目標的設置（續(xù)）選擇優(yōu)化目標控件Goal放置優(yōu)化目標的設置（續(xù)）

29編輯ppt優(yōu)化目標的設置（續(xù)）29編輯ppt優(yōu)化目標的設置（續(xù)）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，用來設定通帶內的反射系數(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，在設定優(yōu)化參數(shù)時，可以適當增加通帶寬度。對于其它的參數(shù)，也可以根據(jù)優(yōu)化的結果進行一定的調整。30編輯ppt優(yōu)化目標的設置（續(xù)）這里總共設置了四個優(yōu)化目標，前三個的優(yōu)化優(yōu)化目標的設置（續(xù)）

31編輯ppt優(yōu)化目標的設置（續(xù)）31編輯ppt進行參數(shù)優(yōu)化設置完優(yōu)化目標后最好先把原理圖存儲一下，然后就可以進行參數(shù)優(yōu)化了。點擊工具欄中的Simulate按鈕就開始進行優(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)化的結果(見下頁圖)，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。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前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存。32編輯ppt進行參數(shù)優(yōu)化設置完優(yōu)化目標后最好先把原理圖存儲一下，然后就可進行參數(shù)優(yōu)化（續(xù)）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。33編輯ppt進行參數(shù)優(yōu)化（續(xù)）經過數(shù)次優(yōu)化后，CurrentEf的值為0觀察仿真曲線優(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。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。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。34編輯ppt觀察仿真曲線優(yōu)化完成后必須關掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。關閉優(yōu)化控件后的原理圖

35編輯ppt關閉優(yōu)化控件后的原理圖35編輯ppt觀察仿真曲線點擊工具欄中的Simulate按鈕進行仿真，仿真結束后會出現(xiàn)圖形顯示窗口。36編輯ppt觀察仿真曲線點擊工具欄中的Simulate按鈕進觀察仿真曲線（續(xù)）點擊圖形顯示窗口左側工具欄中的按鈕，放置一個方框到圖形窗口中，這時會彈出一個設置窗口(見下頁圖)，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。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。為了準確讀出曲線上的值，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)一個倒三角標志，點擊拖動此標志，可以看到曲線上各點的數(shù)值。37編輯ppt觀察仿真曲線（續(xù)）點擊圖形顯示窗口左側工具欄中的選擇仿真曲線參數(shù)及其單位38編輯ppt選擇仿真曲線參數(shù)及其單位38編輯ppt觀察仿真曲線39編輯ppt觀察仿真曲線39編輯ppt觀察仿真曲線（續(xù)）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。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算，其結果比在原理圖中仿真要準確，但是它的計算比較復雜，需要較長的時間，在此作為對原理圖設計的驗證。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行優(yōu)化。40編輯ppt觀察仿真曲線（續(xù)）觀察S11(S22)和S21(S12)曲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)。41編輯ppt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用于生成版圖的原理圖42編輯ppt用于生成版圖的原理圖42編輯ppt生成版圖的設置窗口

43編輯ppt生成版圖的設置窗口43編輯ppt版圖仿真的窗口

44編輯ppt版圖仿真的窗口44編輯ppt版圖的仿真版圖生成后先要設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)。45編輯ppt版圖的仿真版圖生成后先要設置微帶電路的基本參數(shù)(即原理圖中M版圖的仿真（續(xù)）為了進行S參數(shù)仿真還要在濾波器兩側添加兩個端口，做法是點擊工具欄上的Port按鈕，彈出port設置窗口，點擊OK關閉該窗口，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)。46編輯ppt版圖的仿真（續(xù)）為了進行S參數(shù)仿真還要在濾波器兩側添加兩個端版圖的仿真（續(xù)）點擊Momentum->Simulation->S-parameter彈出仿真設置窗口，該窗口右側的SweepType選擇Adaptive，起止頻率設為與原理圖中相同，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，將設置填入左側列表中，點擊Simulate按鈕開始進行仿真。仿真過程中會出現(xiàn)一個狀態(tài)窗口顯示仿真進程(見下頁圖)。仿真運算要進行數(shù)分鐘，仿真結束后將出現(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在通帶內衰減小于2.5dB，起伏小于1dB，阻帶衰減大于40dB。S11在通帶內最好小于-15dB。47編輯ppt版圖的仿真（續(xù)）點擊Momentum->Simulati版圖仿真設置窗口以及狀態(tài)窗口

48編輯ppt版圖仿真設置窗口以及狀態(tài)窗口48編輯ppt版圖仿真的曲線

49編輯ppt版圖仿真的曲線49編輯ppt版圖的仿真如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標要求，那么要重新回到原理圖窗口進行優(yōu)化仿真，產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)曲線與指標的差別情況適當調整優(yōu)化目標的參數(shù)，重新進行優(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有效，然后才能進行優(yōu)化，之后重復前面所述的過程，直到版圖仿真的結果達到要求為止。50編輯ppt版圖的仿真如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標要求，那么要重新回其他參數(shù)在進行原理圖仿真時，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。把左側工具欄設為，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。51編輯ppt其他參數(shù)在進行原理圖仿真時，還可以看到濾波器的群時延以及輸入ADS使用小結以上介紹了使用ADS進行微帶電路設計的一些基本方法，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