微帶濾波器的設計

1、.解析微帶濾波器的設計微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號， 使其不能通過濾波器， 只讓需要的信號通過。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，因此如何設計出一個具有高性能的濾波器，對設計微波電路系統(tǒng)具有很重要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點，近年來在微波電路系統(tǒng)應用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應用之一，因此本節(jié)將重點研究如何設計并優(yōu)化微帶濾波器。濾波器（filter），是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器，其功

2、能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。1 微帶濾波器的原理微帶濾波器當中最基本的濾波器是微帶低通濾波器，而其它類型的濾波器可以通過低通濾波器的原型轉(zhuǎn)化過來。最大平坦濾波器和切比雪夫濾波器是兩種常用的低通濾波器的原型。微帶濾波器中最簡單的濾波器就是用開路并聯(lián)短截線或是短路串聯(lián)短截線來代替集總元器件的電容或是電感來實現(xiàn)濾波的功能。這類濾波器的帶寬較窄，雖然不能滿足所有的應用場合，但是由于它設計簡單，因此在某些地方還是值得應用的。微帶濾波器是在印刷電路板上，根據(jù)電路的要求以及頻率的分布參數(shù)印刷在電路板上的各種不同的線條形成的LC分布參數(shù)的濾波器。2 濾波器的分類最普通的濾波器的分類方法通?？煞譃?/p>

3、低通、高通、帶通及帶阻四種類型。圖12.1給出了這四種濾波器的特性曲線。低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。按濾波器的頻率響應來劃分，常見的有巴特沃斯型、切比雪夫型、切比雪夫型及等；按濾波器的構成元件來劃分，則可分為有源型及無源型兩類；按濾波器的制作方法和材料可分為波導濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器。巴特沃斯濾波器是電子濾波器的一種。巴特沃斯濾波

4、器的特點是通頻帶的頻率響應曲線最平滑。這種濾波器最先由英國工程師斯替芬巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年發(fā)表在英國無線電工程期刊的一篇論文中提出的。切比雪夫濾波器，又名車比雪夫濾波器,是在通帶或阻帶上頻率響應幅度等波紋波動的濾波器。切比雪夫濾波器來自切比雪夫分布，以切比雪夫命名，是用以紀念俄羅斯數(shù)學家巴夫尼提列波維其切比雪夫（ ）。3 微帶濾波器的設計指標微帶濾波器的設計指標主要包括：1絕對衰減（Absolute attenuation）：阻帶中最大衰減（dB）。2帶寬（bandwidth）：通帶的3dB帶寬（flow-fhigh）。帶寬（band width）又叫

5、頻寬，是指在固定的的時間可傳輸?shù)馁Y料數(shù)量，亦即在傳輸管道中可以傳遞數(shù)據(jù)的能力。在數(shù)字設備中，頻寬通常以bps表示，即每秒可傳輸之位數(shù)。在模擬設備中，頻寬通常以每秒傳送周期或赫茲 （Hz）來表示。亦稱譜帶半寬度（half bandwidth）或有效帶寬。無論儀器中光學系統(tǒng)的質(zhì)量多么高，經(jīng)單色器單色化后的光總是有一定的波長（寬度）范圍，即具有以所指定波長（額定波長）為中心分布的一定波長范圍。通帶即指最大吸光度值的一半處的譜帶寬度。3中心頻率：fc或f0.每頻程的上限與下限頻率的幾何平均值稱為該頻程的中心頻率。4截止頻率：下降沿3dB點頻率。用來說明電路頻率特性指標的特殊頻率。當保持電路輸入信號的幅

6、度不變，改變頻率使輸出信號降至最大值的0.707倍，或某一特殊額定值時該頻率稱為截止頻率。5每倍頻程衰減（dB/Octave）：離開截止頻率一個倍頻程衰減（dB）。6微分時延（differential delay）：兩特定頻率點群時延之差以ns計。7群時延（Groupdelay）：任何離散信號經(jīng)過濾波器的時延（ns）。群時延即系統(tǒng)在某頻率處的相位（相移）對于頻率的變化率。8插入損耗（insertion loss）：當濾波器與設計要求的負載連接，通帶中心衰減，dB9帶內(nèi)波紋（passband ripple）：在通帶內(nèi)幅度波動，以dB計。10相移（phase shift）：當信號經(jīng)過濾波器引起的相

7、移。11品質(zhì)因數(shù)Q（quality factor）：中心頻率與3dB帶寬之比。電學和磁學的量。表征一個儲能器件（如電感線圈、電容等）、諧振電路所儲能量同每周損耗能量之比的一種質(zhì)量指標。元件的Q值愈大，用該元件組成的電路或網(wǎng)絡的選擇性愈佳。12反射損耗（Return loss）13形狀系數(shù)（shape factor）：定義為。14止帶（stop band或rejectband）：對于低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定點（如60dB點）的帶寬。工程應用中，一般要求我們重點考慮通帶邊界頻率與通帶衰減、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。前兩項是描述衰減特性的

8、，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?。蝗簳r延是指網(wǎng)絡的相移隨頻率的變化率，定義為 dU/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。4 微帶濾波器的設計通帶是兩個截止頻率之間的頻率范圍。在截止頻率點，輸出信號幅值下降到其最大值的0.707倍。本小節(jié)設計一個微帶低通濾波器，濾波器的指標如下：通帶截止頻率：3GHz.通帶增益：大于-5dB,主要由濾波器的S21參數(shù)確定。阻帶增益：在

9、4.5GHz以上小于-48dB,也主要由濾波器的S21參數(shù)確定。通帶反射系數(shù)：小于-22dB,由濾波器的S11參數(shù)確定。在進行設計時，我們主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標。S21（S12）是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及增益、衰減全都表現(xiàn)在S21（S12）隨頻率變化的曲線上。S11（S22）參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，如果反射系數(shù)過大，就會導致反射損耗增大，影響系統(tǒng)的前后級匹配，使系統(tǒng)性能下降。了解了濾波器的設計原理以及設計指標后，下面開始設計微帶低通濾波器。4.1建立工程新建工程，選擇【File】【New Project】，系統(tǒng)出現(xiàn)新建工程對話框。在name欄中輸入工程名：mic

10、rostrip_filter,并在Project Technology Files欄中選擇ADS Standard:Length unit-millimet,默認單位為mm,如圖12.2所示。單擊OK,完成新建工程，此時原理圖設計窗口會自動打開。4.2原理圖和電路參數(shù)設計工程文件創(chuàng)立完畢后，下面介紹微帶低通濾波器的原理圖設計過程。1）在原理圖設計窗口中選擇TLines-Microstrip元件面板列表，窗口左側的工具欄變?yōu)槿鐖D12.3所示。并選擇6個MLIN、5個MLOC、1個MSUB按照圖12-4所示的方式連接起來。2）設置圖12-4中的控件MSUB微帶線參數(shù)H:基板厚度（0.1 mm）Er

11、:基板相對介電常數(shù)（2.16）Mur:磁導率（1）Cond:金屬電導率（6.14E+7）Hu:封裝高度（1.0e+33 mm）T:金屬層厚度（0.001 mm）TanD:損耗角正切（1e-3）Roungh:表面粗糙度（0 mm）完成設置的MSUB控件如圖12.5所示。3）濾波器兩端的引出線是50 Ohm的微帶線，它的寬度W可由微帶線計算工具算出。選擇【Tools】【LineCalc】【Start LineCalc】命令。在打開的窗口中輸入如圖12-6所示的內(nèi)容。在Substrate Parameters欄中填入與MSUB相同的微帶線參數(shù)。在Component Parameters欄中填入中心頻

12、率（本例為3.0GHz）。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欄中的和箭頭，可以進行W、L與Z0、E_Eff間的相互換算。本例中Z0為50Ohm,E_Eff為45deg,W為0.31008mm,L為9.18284mm.另外打開的一個窗口顯示當前運算狀態(tài)以及錯誤信息，如圖12.7所示。4）雙擊兩邊的引出線TL1、TL6,分別將其寬與長設為0.31006 mm和1.5 mm.其余的微帶線長度設為9.18284,寬度是濾波器設計和優(yōu)化的主要參數(shù)，因此要用變量代替，便于

13、后面修改和優(yōu)化。雙擊每個微帶線設置參數(shù)，W分別設為相應的變量，單位mm.在設置寬度的5個變量時，為了讓它們顯示在原理圖上，要把Display parameter on schematic的選項勾上。設置完變量的原理圖如圖12.8所示。5）由于原理圖中的MLIN和MLOC的寬度都是變量，因此需要在原理圖中添加一個變量控件。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，依次添加各微帶線的W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Tune/Opt/Stat/DOE Setup按鈕設置變量的取值

14、范圍，其中的Enabled/Disabled表示該變量是否能被優(yōu)化，Minimum Value表示可優(yōu)化的最小值Maximum Value表示可優(yōu)化的最大值，如圖12.9,12.10所示。微帶濾波器中微帶線的變量值及優(yōu)化范圍設置如下。W1=0.1679 opt 0.1 to 2 ,表示W(wǎng)1的默認值為0.1679,變化范圍為0.1到2.W2=0.4772 opt 0.1 to 2 ,表示W(wǎng)2的默認值為0.4772,變化范圍為0.1到2.W3=0.5124 opt 0.1 to 2 ,表示W(wǎng)3的默認值為0.5124,變化范圍為0.1到2.W4=0.1269 opt 0.1 to 2 ,表示W(wǎng)4的默

15、認值為0.1269,變化范圍為0.1到2.W5=0.1203 opt 0.1 to 2 ,表示W(wǎng)5的默認值為0.1203,變化范圍為0.1到2.這樣一個完整的微帶低通濾波器的電路就完成了，如圖12.11所示。4.3 S參數(shù)仿真設置和原理圖仿真在執(zhí)行仿真之前，先進行S參數(shù)仿真設置。1）S參數(shù)仿真設置在原理圖設計窗口中選擇S參數(shù)仿真工具欄，Simulation-S_Param.選擇Term放置在濾波器兩邊，用來定義端口1和2,并放置兩個地，按照圖12.12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。雙擊S參數(shù)仿真控制器，參數(shù)設置如下。Start=0 GHz,表示頻率掃

16、描的起始頻率為0 GHz.Stop=5 GHz,表示頻率掃描的終止頻率為5 GHz.Step=0.01 GHz,表示頻率掃描的頻率間隔為0.01 GHz.完成參數(shù)設置的S參數(shù)仿真控制器如圖12.13所示。調(diào)整電路原理圖和各種控件，最終得到的電路原理圖如圖12.14所示。這樣就完成了微帶低通濾波器S參數(shù)的仿真設置，下面開始對濾波器進行仿真。2） 原理圖仿真單擊工具欄上的simulate按鈕或是點擊simulatesimulate,當仿真結束后，系統(tǒng)會自動彈出一個數(shù)據(jù)顯示窗口，在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個S21參數(shù)的矩形圖，再點擊makerNew,可在圖中加一標記，如圖12.15所示。從圖中可以看出，

17、S21參數(shù)曲線是一個低通濾波器的形狀，但是與設計指標的要求還有一定的差距。以同樣的方式插入一個S11參數(shù)的矩形圖，加上一個Marker點，如圖12.16所示。4.4參數(shù)由于濾波器的參數(shù)并未達到指標要求，因此需要優(yōu)化電路參數(shù)，使之達到設計要求。優(yōu)化電路參數(shù)的具體步驟如下：1） 在原理圖設計窗優(yōu)化電路口中選擇優(yōu)化面板列表optim/stat/Yield/DOE,在列表中選擇優(yōu)化控件optim,雙擊該控件設置優(yōu)化方法和優(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。設置完成的控件如圖12.17所示。2）在優(yōu)化面板列表中選擇優(yōu)

18、化目標控件Goal放置在原理圖中，雙擊該控件設置其參數(shù)，如圖12.18所示。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是優(yōu)化目標所依賴的變量，這里為頻率freq.RangeMin和RangeMax是上述變量的變化范圍。這里總共設置了三個優(yōu)化目標，前二個的優(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，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-25dB），具體如圖12

19、.19所示。3）設置完優(yōu)化目標后把原理圖存儲一下，然后點擊工具欄中的Simulate按鈕開始進行優(yōu)化仿真。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（如圖12.20），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)化結束時還會打開數(shù)據(jù)顯示窗口,如圖12.21所示。需要注意的是在一次優(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。如果一次優(yōu)化不能滿足設計指標要求，根據(jù)情況

20、需要對優(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，經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化后，當CurrentEf的值為0,即為優(yōu)化結束。4）優(yōu)化完成后必須關掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。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。5）點擊工具欄中的Simulate按鈕進行仿真，仿真結束后會出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示窗口。在數(shù)據(jù)顯示窗口觀察濾波器的S11和S21曲線，其結果與優(yōu)化結果相同。4.5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

21、算群時延。把左側工具欄設為Simulation-S_param,并把VSWR控件放置在原理圖中，即可計算輸入駐波比。VSWR翻譯為電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio），一般簡稱駐波比。 電磁波從甲介質(zhì)傳導到乙介質(zhì)，會由于介質(zhì)不同，電磁波的能量會有一部分被反射，從而在甲區(qū)域形成行駐波. 電壓駐波比，指的就是行駐波的電壓峰值與電壓谷值之比，此值可以通過反射系數(shù)的模值計算： VSWR=（1+反射系數(shù)模值）/（1-反射系數(shù)模值）。 而入射波能量與反射波能量的比值為 1:（反射系數(shù)模的平方） 由上可知，駐波比越大，反射功率越高，傳輸效率越低。要觀察這兩個參數(shù)的曲線，只需在

22、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。當優(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。4.6 版圖的生成與仿真原理圖的仿真是在完全理想的狀態(tài)下進行的，而實際電路板的制作往往和理論有較大的差距，這就需要我們考慮一些干擾、耦合等外界因素的影響。先進設計系統(tǒng)（Advanced Design System），簡稱ADS,是安捷倫科技有限公司（Agilent）為適應競爭形勢，為了高效的進行產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)，而設計開發(fā)的一款EDA軟件。軟件迅速成為工業(yè)設計領域EDA軟件的佼佼者，因其強大的功能、豐富的模板支持和高效準確的仿真能力（尤其在射

23、頻微波領域），而得到了廣大IC設計工作者的支持。 ADS是高頻設計的工業(yè)領袖。ADS電子設計自動化功能十分強大，包含時域電路仿真 （SPICE-like Simulation）、頻域電路仿真 （Harmonic Balance、Linear Analysis）、三維電磁仿真 （EM Simulation）、通信系統(tǒng)仿真（Communication System Simulation）、數(shù)字信號處理仿真設計（DSP）；ADS支持射頻和系統(tǒng)設計工程師開發(fā)所有類型的RF設計，從簡單到復雜，從離散的射頻/微波模塊到用于通信和航天/國防的集成MMIC,是當今國內(nèi)各大學和研究所使用最多的微波/射頻電路和通

24、信系統(tǒng)仿真軟件軟件。1） 版圖的生成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，可作為對原理圖設計的驗證。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)在生成的版圖中。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。然后點擊菜單中的Layout - Generate/Update Layout,彈出一個設置窗口（如圖12.22），直接點OK,又出現(xiàn)一個窗口（如圖12.23），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（

25、如圖12.24） .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)），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)。為了進行S參數(shù)仿真，需要在濾波器兩側添加兩個端口，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添加上兩個port端口。2） 版圖的仿真點擊Momentum - Simulation - S-parameter彈出仿真設置窗口，該窗口右側的Swe