基于ADS的微帶濾波器設計

1、分類號 編號煙 臺 大 學畢 業(yè) 論 文（設 計）基于ADS的微帶濾波器設計申請學位： 工科學士學位 院 系： 光電信息科學與技術學院 專 業(yè)： 電子信息工程 姓 名： 曹瑞明 學 號： 200813503302指導老師：朱荷艷2012年5月20日煙臺大學【摘要】濾波器是最基本的信號處理器。濾波器的主要特性包括低通、高通、帶通、帶阻衰減。而微帶濾波器則是一類被大量設計使用的微波濾波器。別的型號的濾波器一般都可以在低通濾波器的原型上轉化過來。微帶電路擁有頻帶比較寬，體積較小質量輕等較多的長處。本篇論文重點是論述使用被大量應用的切比雪夫帶通濾波器去完成既定的濾波器設計要求，利用微波設計軟件ADS全

2、局優(yōu)化設計 并結合實用的解決方案對帶外抑制和插入損耗進行優(yōu)化設計，最終得到比較理想的帶通濾波器。重點闡述ADS 設計流程中的參數(shù)優(yōu)化、器件仿真、矩量法分析等相關內容。關鍵詞 微帶帶通濾波器; 結構仿真; ADSAbstract: This paper introduces a design of low noise amplifier by using the ADS simulator method.The overall first elaborated the low noise amplifier main technical and performance indicators, o

3、n the basis of low noise amplifier of indicators to synchronous circuit design, optimization and ADS simulation, finally causes the low noise amplifier design results meet the design initial expectations, and success completion of the low noise amplifier circuit design.Key words：low noise amplifier；

4、receiver；noise figure；matching network.目錄第一章 緒論61.1 微帶濾波器簡介71.2 微帶濾波器的主要技術指標7第二章 ADS102.1 ADS簡介102.2 ADS的仿真功能102.2.1 ADS的仿真設計方法102.2.2 ADS的設計輔助功能122.2.3 ADS與其他EDA軟件和測試設備間的連接122.2.4 結論13第三章 低噪聲放大器設計仿真及優(yōu)化143.1 低噪聲放大器性能指標143.2 低噪聲放大器的仿真設計143.2.1 選擇合適的器件143.2.2 晶體管S 參數(shù)的測量并確定工作點153.2.3 低噪管穩(wěn)定性的判斷183.2.4 匹

5、配網(wǎng)絡的設計193.2.5 單級放大器的優(yōu)化223.2.6 兩級級聯(lián)放大器的優(yōu)化263.2.7 電路容差分析30第四章 總結32致謝33第一章 緒論我們利用微波濾波器只讓頻率正確的的信號通過阻礙頻率不同的信號的特性來區(qū)分信號。濾波器的性能對微波電路系統(tǒng)的性能指標有很大的影響，因此設計微波電路系統(tǒng)時設計出具有高性能的濾波器很重要。微帶電路在微波電路系統(tǒng)應用廣泛路。具有個體，質量輕、頻帶分布寬等特點，其中用微帶做濾波器是其主要應用之一，微帶濾波器當中最基本的濾波器是微帶低通濾波器，而別的濾波器可以通過低通濾波器為原型轉化過來。其中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。因此本節(jié)

6、將重點研究如何 設計并優(yōu)化微帶濾波器1.1 微帶濾波器簡介濾波器是一個的二端口網(wǎng)絡，對頻率適合的信號進行傳輸，對頻率不匹配的信號進行發(fā)射衰減，從而實現(xiàn)信號頻譜過濾。典型的頻率響應包括低通、高通、帶通、帶阻衰減。如圖1-1所示. 還可以從不同角度對濾波器進行分類：(1)按功能分，低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器，帶阻濾波器，可調濾波器。(2)按用的元件分，集總參數(shù)濾波器，分布參數(shù)濾波器，無源濾波器，有源濾波器，晶體濾波器，聲表面波濾波器，等。圖1-11.2微帶濾波器的主要參數(shù)（1）中心頻率：一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點。窄帶濾波

7、器常以插損最小點為中心頻率計算通帶帶寬。（2）截止頻率：指低通濾波器的通帶右邊頻點及高通濾波器的通帶左邊頻點。通常以1dB或3dB相對損耗點來標準定義。（3）通帶帶寬：指需要通過的頻譜寬度，BWxdB=（f2-f1）。f1、f2為以中心頻率f0處插入損耗為基準，下降X（dB）處對應的左、右邊頻點。通常用X=3、1、0.5 即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB 表征濾波器通帶帶寬參數(shù)。分數(shù)帶寬=BW3dB/f0×100%，（4）紋波：指1dB或3dB帶寬（截止頻率）范圍內，插損隨頻率在損耗均值曲線基礎上波動的峰-峰值。（5）帶內波動：通帶內插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內的帶內

8、波動是1dB。（6）帶內駐波比：衡量濾波器通帶內信號是否良好匹配傳輸?shù)囊豁椫匾笜恕＠硐肫ヅ銿SWR=1：1，失配時VSWR1。對于一個實際的濾波器而言，滿足VSWR1.5：1的帶寬一般小于BW3dB，其占BW3dB的比例與濾波器階數(shù)和插損相關。（7）回波損耗：端口信號輸入功率與反射功率之比的分貝（dB）數(shù)，也等于|20Log10|，為電壓反射系數(shù)。輸入功率被端口全部吸收時回波損耗為無窮大。（8）阻帶抑制度：衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標。該指標越高說明對帶外干擾信號抑制的越好。第二章 ADS2.1 ADS簡介 ADS 全名Advanced Design System，由安捷倫推出

9、，是當今業(yè)界最流行的微波射頻電路、通信系統(tǒng)、RFIC設計軟件；也是國內高校、科研院所使用最多的軟件。可以實現(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析。并進行成品率分析與優(yōu)化，提升了電路的設計效率，是一款好用的的微波射頻電路、系統(tǒng)信號鏈路的設計工具。2.2 ADS的仿真功能Ads有著非常強大的仿真能力，可以進直交流仿真，s參數(shù)仿真，諧波平衡增益壓縮電路包絡預算電磁仿真等，這些仿真可以進行現(xiàn)行非線性仿真，電路仿真，頻域時域仿真等。1線性分析線性分析可以對線性非線性電路進行線性分析，主要是對頻域、小信號電路進行仿真分析。2高頻spice瞬態(tài)分析高頻spice瞬態(tài)分析分析電路的瞬間

10、響應屬于時域仿真分析。3電路包絡分析電路包絡分析可以將高頻調制信號分解為時域和頻域兩個部分進行處理。4諧波平衡和增益壓縮分析諧波平衡和增益壓縮分析是頻域打信號非線性穩(wěn)態(tài)電路的仿真分析方法。 第三章 基于ADS的微帶濾波器設計3.1微帶濾波器的設計本小節(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、

11、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：microstrip_filter，并在Project Technology Files欄中選擇ADS Standard：Length unitmillimet，默認單位為mm，如圖12.2所示。單擊OK，完成新建工

12、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: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

13、 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

14、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。3.2 低噪聲放大器的仿真設計 3.2.1 選擇合適的器件選擇適用于工作頻率且具有可接受的增益和噪聲系數(shù)的BJT、JEFT 和MESFET。工作頻率在6GHz 以下時，大多使用雙極晶體管；工作頻率在6GHz以上時，大多選用場效應晶體管。而且，一般晶體管的截至頻率不小于2-3倍的工作頻率。低噪聲放大器需要更高的

15、截至頻率。選取NEC 公司生產(chǎn)的NE3210S01 N 溝道HJFET，它的性能如圖1所示，增益在24GHz 的頻寬內在18dB 以上，噪聲系數(shù)低于0.5dB，符合低噪聲放大器的設計指標。查到在特定偏置下的所選取晶體管的每個工作點的S 參數(shù)，選取合適的工作點，來設計電路原理圖中的偏置電路。合適且穩(wěn)定的工作點決定晶體管的動態(tài)范圍并保證低噪聲放大器不出現(xiàn)平頂失真，而且直接影響放大器的高頻穩(wěn)定性，本文選擇典型的靜態(tài)工作點VDS2.0V，ID10MA 。圖1-NE3210S01 的S 參數(shù)以及增益、噪聲特性 3.2.2 測量晶體管的S參數(shù)及確定工作點 在需要的頻帶內通過ADS的S參數(shù)仿真求出晶體管的S

16、參數(shù)，對比手冊提供的S 參數(shù)，不斷調整柵源電壓VGD來修正S 參數(shù)獲得合適的偏置電路。因為溫度對回路的Q 值的影響，所以在S 參數(shù)仿真時應注意根據(jù)結果所給出的信息調整偏置電路模型的溫度， 本晶體管仿真的環(huán)境溫度16.85。偏置電路調整好之后：VGD-0.526v, ID=9.87mA,VD=2.0V。圖2-Fet 外圍偏置圖3-將sprarameters 禁用 圖4-低噪管的IV 特性 3.2.3 低噪聲放大器的穩(wěn)定性判斷 K- 公式或負載端和源端穩(wěn)定系數(shù)圓可以判斷穩(wěn)定性，K- 公式用來判斷低噪聲放大器是否絕對穩(wěn)定。對放大器的第一級的主要用以以降低噪聲系數(shù)，所以常處于條件穩(wěn)定，但是采用雙端共軛

17、匹配設計最大增益低噪聲放大器，處于絕對穩(wěn)定的射頻電路才能保證復數(shù)共軛的成立。圖5噪聲系數(shù)圓,等增益圓和輸入匹配點的確定圖6源穩(wěn)定系數(shù)圓圖和負載穩(wěn)定系數(shù)圓圖 3.2.4 匹配網(wǎng)絡的設計 在增益15dB 的圓上選取接近最小噪聲點的源反射系數(shù)作為輸入匹配點，如圖5 中m1 所示，本文取S=opt= 0.7689.872 ，得到最佳噪聲系數(shù)匹配條件，使放大器滿足噪聲要求并且實現(xiàn)足夠大的增益。圖6 顯示出了源穩(wěn)定系數(shù)圓圖和負載穩(wěn)定系數(shù)圓圖，從標記m3、m4 可以看出源穩(wěn)定系數(shù)圓和負載穩(wěn)定系數(shù)圓均與smith 圓圖相離，又由于S11，S22 均小1，所以輸入和輸出都符合絕對穩(wěn)定。輸出匹配點out 根據(jù)如下

18、公式求出。匹配網(wǎng)絡的有很多的設計方法，有圖解法，計算機輔助設計法等。本文利用ADS 的smith 圓圖綜合工具完成匹配網(wǎng)絡的自動設計。在元件面板列表中選取Simth 圓圖工具Smith Chart Matching，然后選取工具菜單欄中的Smith Chart Utility 工具，輸入負載的反射系數(shù)，然后通過ADS提供的智能元件設計阻抗匹配，最終生成子網(wǎng)絡。采用由集總元件構成的沒有損耗的L型網(wǎng)絡，如圖7所示為實用Simith 工具得到的匹配電路的拓撲結構。圖8為低噪聲放大器輸出子網(wǎng)絡。 圖7 使用史密斯圓圖工具圖8經(jīng)過調整后達到匹配 圖9匹配后的電容值 圖10匹配后的電感值 輸出匹配網(wǎng)絡的設

19、計采用S 參數(shù)優(yōu)化方法， S 參數(shù)設計法是將晶體管看做是一個黑盒子，只知道它的端口參數(shù)，是從系統(tǒng)或者網(wǎng)絡的角度出發(fā)來設計放大器。首先設定匹配網(wǎng)絡集總器件為優(yōu)化變量，優(yōu)化的目標為噪聲系數(shù)、增益、輸入駐波比、輸出駐波比等，給上述原理圖增加優(yōu)化仿真器OPTIM 和優(yōu)化目標控件GOAL。注意在OPTIM 中設定仿真變量，并將設計目標值作為仿真目標，優(yōu)化仿真變量設計參數(shù)，然后選擇適合的優(yōu)化方式，常用的主要是Random（隨機法）和Gradient（梯度法） ，隨機法通常用于大范圍搜索時使用，梯度法則用于局域收斂，不同方法有不同的元件變量漸進方式，應根據(jù)收斂速度和誤差函數(shù)公式進行選擇。最后選擇迭代次數(shù)后進

20、行優(yōu)化仿真， 通過不斷對優(yōu)化變量的調整， 得到滿足穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)和增益等目標的電路，實際在進行分析的時候，還需要根據(jù)具體情況及有關理論加入一些有助于提高電路性能的細節(jié)。匹配后仿真原理圖如圖9 所示，此處把集總元件構成的匹配網(wǎng)絡用微帶線代替，選取射頻介質基板的參數(shù)為：介電常數(shù)r=4.3,基板厚度H=0.8mm。 3.2.5 單級放大器的優(yōu)化1.優(yōu)化目標在2.1G 到2.4G 的頻段上，輸入輸出駐波比小于-10dB，增益在12dB 到14dB之間，噪聲系數(shù)nf（2）小于0.8dB，穩(wěn)定系數(shù)Mu1 大于1。2.優(yōu)化方式通過設置Optium 中的優(yōu)化方式來對Var 中的變量進行優(yōu)化，以滿足上述設計要

21、求。這里可以選擇Random 方式或者Gradient 等方式進行自動優(yōu)化這些電路參量。也可通過使Tuning來手動調節(jié)。Random 的優(yōu)化方式有利于快速找到比較好的參數(shù)初始值，以便為以后的優(yōu)化打好基礎。而Gradia nt的優(yōu)化方式可以更精確的找到較好的優(yōu)化值，但是缺點是速度較慢。應用tunning 時應該把Optim禁用，通過改變參量的最大最小值和步長也可以得到較好的仿真效果。 圖11Random 優(yōu)化方式圖12Tune 后各個元件的取值 圖13單級放大器原理圖3. 仿真參數(shù)和波形4. 圖14仿真參數(shù)和波形 圖15 S 參數(shù) 圖16 穩(wěn)定系數(shù)和噪聲系數(shù)圖17輸入輸出駐波比優(yōu)化后的仿真參數(shù)

22、 3.2.6 兩級級聯(lián)放大器的優(yōu)化1. 兩級級聯(lián)匹配原理為了進一步改善低噪聲放大器的增益、增益平坦度及穩(wěn)定性，可以采用多級放大器級聯(lián)的形式滿足需求。本文所選擇的低噪管具有很低的噪聲系數(shù)和較高的1dB 壓縮點，在仿真中直接將兩級相同的單級放大器通過耦合電容進行耦合，前級采用最佳噪聲輸入匹配，后級采用雙共軛匹配，經(jīng)過匹配網(wǎng)絡調諧和進一步優(yōu)化后，得到性能更加良好的電路。2. 優(yōu)化目標在2.1G 到2.4G 的頻段上，輸入輸出駐波比小于-10dB，權重為5；增益在最小值為17dB，權重為10；噪聲系數(shù)nf（2）小于0.5dB，權重為5；穩(wěn)定系數(shù)Mu1大于1 權重為10。圖18優(yōu)化目標3. 優(yōu)化方式通過

23、設置Optium 中的優(yōu)化方式來對Var 中的變量進行優(yōu)化，以滿足上述設計要求。這里可以選擇Random 方式或者Least Path 等方式進行自動優(yōu)化這些電路參量。也可通過使用Tuning 來手動調節(jié)。Least Path 是一種最快找到最好優(yōu)化參數(shù)的優(yōu)化方式。由于兩級放大電路電路參數(shù)聯(lián)動比較厲害，因此只能用Least Path優(yōu)化后再用Tuning 進行微調。 圖19 Least Path 優(yōu)化方式Tuning 進行微調4. 兩級放大器原理圖兩級放大器原理圖5. 仿真參數(shù)和波形優(yōu)化后的仿真參數(shù)S參數(shù)穩(wěn)定系數(shù)和噪聲系數(shù)輸入輸出駐波比 3.2.7 電路容差分析 YIELD分析能夠按照變量元件

24、的離散分布分析出產(chǎn)品達到性能目標的合格率，通常我們能夠給出我們所采用的器件的連續(xù)或離散變化特性，它們符合電子產(chǎn)品的分布特性正態(tài)分布、高斯分布或其他分布。YIELD 分析基于Monte Carlo方法，需要建立一定數(shù)量的隨機試驗。設計變量在容差范圍內變化，隨機試驗中符合設計目標需要的試驗次數(shù)（PASSNUMBER）和失敗的實驗次數(shù)將會得到，從而估算出產(chǎn)品的試驗合格率。首先給電路原理圖增加YIELD 仿真器及YIELD 參數(shù)，對放大器在所設定目標下的合格率進行分析。設置元件參量變化符合正態(tài)分布，±5，設定設計目標YIELD SPEC ，這里取S 參數(shù)、噪聲系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)為設計目標，YIELD 試驗次數(shù)設置為250 次。仿真結果如圖所示，合格率為71。為了設計出的產(chǎn)品既要保證合格的指標又要滿足較高的合格率，我們必須進行優(yōu)化合格率設計。YIELD 仿真器及優(yōu)化控制器如圖所示。