實驗1微波濾波器的設計制作與調(diào)試.ppt

實驗一 微波濾波器的設計 制作與調(diào)試,（一）實驗目的,了解微波濾波電路的原理及設計方法。 學習使用ADS軟件進行微波電路的設計，優(yōu)化，仿真。 掌握微帶濾波器的制作及調(diào)試方法。,（二）實驗內(nèi)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(jié)果繪制電路版圖，并加工成電路板。 對加工好的電路進行調(diào)試，使其滿足設計要求。,（三）微帶濾波器的技術(shù)指標,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（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，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(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 ，它是離設計通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設計時要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。,（四）ADS軟件的使用,本節(jié)內(nèi)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。,ADS軟件的啟動,啟動ADS進入如下界面,創(chuàng)建新的工程文件,點擊File-New Project設置工程文件名稱（本例中為Filter）及存儲路徑 點擊Length Unit設置長度單位為毫米,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)）,同時原理圖設計窗口打開,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(gòu)成諧振電路。我們以這種結(jié)構(gòu)的濾波器為例，介紹一下設計的過程。,等效電路,微帶濾波器的設計（續(xù)）,設計指標：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。,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(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（續(xù)）,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(0.8 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),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.,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，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 Linecalc，出現(xiàn)一個新的窗口(如下頁圖)。 在窗口的Substrate Parameters欄中填入與MSUB中相同的微帶線參數(shù)。 在Cpmpnet Parameters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)。,微帶線計算工具（續(xù)）,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。,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1.52 mm和2.5 mm(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(cè)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。,耦合線節(jié)參數(shù)設置窗口,設置微帶器件參數(shù)后的原理圖,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，Variable Value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（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0.2 mm(最好取0.5 mm以上)。,變量設置窗口,S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)。,S參數(shù)仿真電路設置（續(xù)）,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,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(quán)重。 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。,優(yōu)化目標的設置（續(xù)）,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2 dB，阻帶衰減大于40 dB)，最后一個的優(yōu)化參數(shù)是S11，用來設定通帶內(nèi)的反射系數(shù)(這里要求小于 -20 dB)，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(jié)果進行一定的調(diào)整。,優(yōu)化目標的設置（續(xù)）,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(jié)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(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 - 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。,進行參數(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、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{(diào)整。,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(jīng)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。,關閉優(yōu)化控件后的原理圖,觀察仿真曲線,點擊工具欄中的Simulate 按鈕進行仿真，仿真結(jié)束后會出現(xiàn)圖形顯示窗口。,觀察仿真曲線（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)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。,選擇仿真曲線參數(shù)及其單位,觀察仿真曲線,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(nèi)起伏小于1dB的要求)，如果已經(jīng)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(jié)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。,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/Update Layout，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) 。,用于生成版圖的原理圖,生成版圖的設置窗口,版圖仿真的窗口,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 - Update From Schematic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（續(xù)）,為了進行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)。,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(cè)的Sweep Type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(cè)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(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40 dB。S11在通帶內(nèi)最好小于-15dB。,版圖仿真設置窗口以及狀態(tài)窗口,版圖仿真的曲線,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(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)曲線與指標的差別情況適當調(diào)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(jié)果達到要求為止。,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Group delay選項，就會在仿真時計算群時延。把左側(cè)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。,ADS使用小結(jié),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。 ADS軟件的功能十分強大，應用很廣，這里我們只介紹了其中很少的一部分，如