實驗四 微波射頻帶通濾波器設(shè)計.ppt

1、實驗四 射頻濾波器設(shè)計、仿真與測試,一、濾波器原理,2,通常采用工作衰減來描述濾波器的衰減特性：,1.1 濾波器的技術(shù)指標(biāo),中心頻率 通帶最大衰減 阻帶最小衰減 通帶帶寬 插入損耗：群時延 帶內(nèi)紋波： 回波損耗、駐波比。,1.2 插入衰減法設(shè)計濾波器,3,1.2.1 理想工作衰減頻率響應(yīng),1.2.1 工作衰減頻率響應(yīng)函數(shù),5,1.2.2 優(yōu)化函數(shù)（低通）,(1).最平坦響應(yīng)(Butterworth),阻帶衰減：,(2). 等波紋響應(yīng)(Chebyshev polynomial),阻帶衰減：,7,1.3 濾波器的設(shè)計步驟,（1）由衰減特性綜合出低通原型 （2）再進行頻率變換，變換成所設(shè)計的濾波器類

2、型 （3）計算濾波器電路元件值 （4）微波結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電路元件，并用微波微波仿真軟件進行優(yōu)化仿真。,8,1.4 濾波器的低通原型,設(shè)計中都采用表格而不用繁雜的計算公式。,低通原型電路結(jié)構(gòu),9,1. 巴特沃士：,10,2. 切比雪夫:,11,1.5 濾波器的四種頻率變換,1、低通濾波器與低通原型的變換,頻率變換,等衰減變換,變換后在對應(yīng)頻率點上衰減量不變，須對應(yīng)的元件值在兩種頻率下的具有相同的阻抗，即：,2、高通濾波器與低通原型的變換,頻率變換,等衰減變換,電感=電容,電容=電感,3、帶通濾波器與低通原型的變換,頻率變換,等衰減變換,電感=串聯(lián)諧振,電容=并聯(lián)諧振,4、帶阻濾波器與低通原型的變換,頻

3、率變換,等衰減變換,電感=并聯(lián)諧振,電容=串聯(lián)諧振,19,低通變換：,高通變換：,帶通變換：,20,帶阻變換：,二、集總參數(shù)濾波器,22,例：設(shè)計一L-C切比雪夫型低通濾波器,截止頻率為75 MHz,通帶內(nèi)衰減為3dB,波紋為1dB, 頻率大于100 MHz,衰減大于20 dB，Z0=50。,（1） 確定指標(biāo): 特性阻抗Z0=50, 截止頻率fc=75MHz, 阻帶邊頻fs=100MHz,通帶最大衰減LAr=3dB,阻帶最小衰減LAs=20dB。,（2） 計算元件級數(shù)n：,n取最接近的整數(shù),則n=5,（3）查表求原型元件值gi,23,低通變換：,（4）計算實際元件值,24,（5）畫出電路結(jié)構(gòu)，

4、進行電路仿真,據(jù)設(shè)計指標(biāo)參數(shù)，使用ADS中的濾波器設(shè)計向?qū)Чぞ咦詣由蔀V波器電路,25,26,例2：設(shè)計一個L-C切比雪夫型帶通濾波器,中心頻率為75 MHz, 3dB帶寬為10MHz, 波紋為1dB, 工作頻帶外7515MHz的衰減大于30dB, Z0=50。,（1） 確定指標(biāo):,特性阻抗： Z0=50 上通帶邊頻： f1=75+5=80 MHz 下通帶邊頻： f2=75-5=70 MHz 上阻帶邊頻： fXU=75+15=90 MHz 下阻帶邊頻： fXL=75-15=60MHz 通帶內(nèi)最大衰減： LAr=3dB 阻帶最小衰減 ： LAs=30dB,（2）計算相關(guān)參數(shù),27,（3） 計算元

5、件節(jié)數(shù)n,n取整數(shù)3,（4） 查表得原型元件值gi,（5） 帶通變換,28,（6） 畫出電路，進行仿真,29,三、分布參數(shù)濾波器,1、Richard變換短截線實現(xiàn) L、C,2、高、低阻抗線實現(xiàn)串聯(lián)L、并聯(lián)C，設(shè)計LPF,串聯(lián)高 、 低阻抗線低通濾波器,3、Kuroda恒等式(變換)設(shè)計LPF,若采用高低阻抗線法，對傳輸線的制造有較高的要求，才能得到較理想的近似L、C；若采用短路線和開路線實現(xiàn)L、C，實際串聯(lián)短路線無法制造。這些問題可用Kuroda恒等式來設(shè)計解決。,將并(串)聯(lián)短截線變換為串(并)聯(lián)短截線,短截線間用 l = /8的附加傳輸線(單位元件)連接。(冗余設(shè)計、物理上分隔元件),將不

6、易實現(xiàn)的特性阻抗傳輸線變換為易實現(xiàn)的特性阻抗傳輸線。,如圖示：并聯(lián)開路線的特征阻抗為Z2，與其相連傳輸線的特征阻抗為Z1。那么它可等效為一特征阻抗為Z1/n2的串聯(lián)短路線與特征阻抗為Z2/n2傳輸線的串聯(lián)。,設(shè)計一個三階微帶低通濾波器, fc=4GHz, 通帶波紋為0.1dB,阻抗Z0=50。,1. 確定電路原型,2. 用Richard變換定Z0,3. Kuroda恒等式(變換),4. 反歸一化),4. 平行耦合微帶線實現(xiàn)BPF、BSF,耦合微帶線開路：,端口4全輸出,1. 確定電路原型,3. 查表、曲線或近似公式計算導(dǎo)帶的寬度和耦合縫寬,耦合微帶線實現(xiàn)BPF的設(shè)計過程：,39,平行耦合諧振單

7、元帶通濾波器,40,同軸腔體低通濾波器,41,（1）三節(jié)低通原型元件值為: g0=g4=1, g1=g3=1.0316, g2=1.1474。,（2）進行低通變換,微帶基板參數(shù)：Er=10.8 H=1.27mm T=0.035mm tanD=0.001 cond=5.86e7； 用ADS微帶線計算工具計算微帶線的參數(shù)。,42,（4）高、 低阻抗線的物理長度可以由以下公式得到：,43,（5）建模仿真,44,45,作業(yè)：對下面結(jié)構(gòu)的微帶支節(jié)低通濾波器的兩種設(shè)計進行原理圖和版圖仿真，并分析其特性。,考慮終端效應(yīng)的終端開路微帶分支線控件：,微帶線控件：,46,例二、設(shè)計一平行耦合線帶通濾波器，其設(shè)計指

8、標(biāo)為：通帶3.03.1GHz，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。,在工具欄中選擇耦合線 、微帶線 以及控件MSUB 分別放置在繪圖區(qū)中，將電路連接好。,47,用微帶線計算工具計算50、四分之一波長微帶寬度和長度,48,設(shè)置耦合微帶線的參數(shù),雙擊兩邊的引出線TL1、TL2，分別將其寬與長設(shè)為1.52 mm和2.5 mm 平行耦合線濾波器的結(jié)構(gòu)是對稱的，所以第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。 W1與W2參數(shù)代表

9、耦合微帶線左右相鄰兩側(cè)的微帶器件的線寬，在設(shè)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。,49,50,添加變量,單擊工具欄上的VAR 圖標(biāo)；放置在原理圖上，依次添加各耦合線節(jié)的W，L，S參數(shù)。 耦合線節(jié)的長L約為四分之一波長，縫隙的寬度最窄只能取0.2 mm(最好取0.5 mm以上)。,51,S參數(shù)仿真優(yōu)化設(shè)置,52,設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后保存原理圖。 點擊 按鈕進行優(yōu)化仿真。優(yōu)化過程中的狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化的結(jié)果，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表示達到了優(yōu)化目標(biāo)。 在多次優(yōu)化完成后，

10、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(dāng)前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存。 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)進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。,進行參數(shù)優(yōu)化,53,54,優(yōu)化完成后必須關(guān)掉優(yōu)化控件，點擊 按鈕，然后點擊優(yōu)化控件OPTIM、GOAL和TERM、SP,生成版圖,55,執(zhí)行菜單命令【Layout】-【Generate/Update Layout】，彈出一個設(shè)置對話框，這里應(yīng)用其默認設(shè)置，直接單擊OK。

11、,在版圖窗口執(zhí)行菜單命令【Momentum】-【Substrate】-【Update From Schematic】，將原理圖的基板和微帶參數(shù)更新到版圖中。,在版圖窗口執(zhí)行菜單命令【Momentum】-【Substrate】-【Creat/Modify】，可以查看和修改基板和微帶的基本參數(shù)。,版圖仿真,在版圖窗口執(zhí)行菜單命令【Insert】-【Port】，彈出port對話框。版圖中插入二個端口，分別于端口1、端口2,在版圖窗口執(zhí)行菜單命令【Momentum】-【Simulation】-【S-Parameters】，打開仿真控制對話框，在“Sweep Type”下拉列表中選擇“Adaptive”

12、，設(shè)置起止頻率與原理圖相同，參數(shù)設(shè)置完成后，單擊“Update”按鈕。然后單擊“Simulate”按鈕，開始仿真。,回去練習(xí),57,作業(yè)：設(shè)計一平行耦合線帶通濾波器，其設(shè)計指標(biāo)為：通帶2.42.5GHz，帶內(nèi)衰減小于2dB，起伏小于1dB，2.3GHz以下及2.7GHz以上衰減大于40dB，端口反射系數(shù)小于-20dB。 板材參數(shù)： H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相對介電常數(shù)(2.65) Mur:磁導(dǎo)率(1)， Cond:金屬電導(dǎo)率(5.88E+7) Hu:封裝高度(1.0e+33 mm)， T:金屬層厚度(0.035 mm) TanD:損耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm) 報告要求： （1）簡單敘述平行耦合線帶通濾波器原理（自己查文獻）； （2）給出濾波器的原理圖和版圖； （3）給出原理圖和版圖仿真結(jié)果，并對其結(jié)果進行分析。,四、濾波器測試,58,（1）設(shè)置頻率：BF=1830MHz,F=2MHz,EF=1990MHz。 設(shè)置使A下為插損 （2）儀器按測插損連接，在儀器輸入與輸出口上各接一根短電纜。兩電纜末端各接一只10dB衰減器，再用一個雙陰連接起來。 （3）執(zhí)行校直通。 （4）拔下雙陰，將兩根電纜帶衰減器的一端，分別接到濾波器的兩端口上，屏幕即顯頻響曲線，可按鍵換檔。記下各頻點的插損和相位（20個頻點并畫出插損和相位曲線） 。,插