ads濾波器仿真實驗報告

1、一濾波器的基本原理濾波器的基礎是諧振電路，它是一個二端口網(wǎng)絡，對通帶內頻率信號呈現(xiàn)匹配傳輸，對阻帶頻率信號失配而進行發(fā)射衰減，從而實現(xiàn)信號頻譜過濾功能。典型的頻率響應包括低通、高通、帶通和帶阻特性。鏡像參量法和插入損耗法是設計集總元件濾波器常用的方法。對于微波應用，這種設計通常必須變更到由傳輸線段組成的分布元件。Richard變換和Kuroda恒等關系提供了這個手段。在濾波器中，通常采用工作衰減來描述濾波器的衰減特性，即LA=10lgPinPLdB ；在該式中，Pin和PL分別為輸出端匹配負載時的濾波器輸入功率和負載吸收功率。為了描述衰減特性與頻率的相關性，通常使用數(shù)學多項式逼近方法來描述濾波

2、器特性，如巴特沃茲、切比雪夫、橢圓函數(shù)型、高斯多項式等。濾波器設計通常需要由衰減特性綜合出濾波器低通原型，再將原型低通濾波器轉換到要求設計的低通、高通、帶通、帶阻濾波器，最后用集總參數(shù)或分布參數(shù)元件實現(xiàn)所設計的濾波器。濾波器低通原型為電感電容網(wǎng)絡。其中，元件數(shù)和元件參數(shù)只與通帶結束頻率、衰減和阻帶起始頻率、衰減有關。設計中都采用表格而不用繁雜的計算公式。表1-1列出了巴特沃茲濾波器低通原型元件值。ng1g2g3g4g5g6g7g8g9g10g1112121.41421.41423121140.76541.84781.84780.7654150.6181.61821.6180.618160.51

3、761.41421.93181.93181.41420.5176170.4450.2471.801921.80191.2470.445180.30021.11111.66291.96151.96151.66291.1110.3902190.347311.53211.879421.87941.532110.34731表1-1 巴特沃茲濾波器低通原型元器件值實際設計中，首先需要確定濾波器的階數(shù)，這通常由濾波器阻帶某一頻率處給定的插入損耗制約。圖1-1所示為最平坦濾波器原型衰減與歸一化頻率的關系曲線。圖1.1 最大平坦濾波器原型的衰減與歸一化頻率的關系曲線二、S參量的描述高頻S參量和T參量用于表征射

4、頻/微波頻段二端口網(wǎng)絡(或N端口網(wǎng)絡)的特性?；诓ǖ母拍?，它們?yōu)樵谏漕l/微波頻段分析、測試二端口網(wǎng)絡，提供了完整的描述。由于電磁場方程和大多數(shù)微波網(wǎng)絡和微波元件的線性，散射波的幅值(即反射波和透射波的幅值)是與入射波的幅值呈線性關系的。描述該線性關系的矩陣稱為“散射矩陣”或S矩陣。低頻網(wǎng)絡參量(如Z、Y矩陣等)是以各端口上的凈(或總)電壓和電流來定義的，而這些概念在射頻/微波頻段已不切實際，需重新尋找能描述波的疊加的參量來定義網(wǎng)絡參量。為了表征一個在輸入和輸出端口具有相同特征阻抗Z0的二端口網(wǎng)絡，考慮各端口上的入射波和反射波電壓，如圖1.2所示。圖1.2 各端口具有入射波和反射波的二端口網(wǎng)絡

5、為了準確地定義S參量，我們規(guī)定二端口網(wǎng)絡(i=1，2)各端口上的入射波電壓相量和反射波電壓相量分別為Vi+和Vi-，如圖1-2所示。現(xiàn)在可定義用散射參量矩陣S來描述二端口網(wǎng)絡各端口上的入射波電壓相量矩陣Vi+與反射波電壓及傳輸波電壓相量矩陣Vi-之間的線性關系如下：V1-=S11V1+S12V2+V2-=S21V1+S22V2+或以矩陣的形式寫成 (1.1)其中 (1.2) 這個線性關系可用兩個復相量的比值來描述，其比值的幅值小于等于1。S矩陣中的各元素定義為 當輸出端口接匹配負載時的輸入端電壓反射系數(shù) 當輸出端口接匹配負載時的正向電壓傳輸系數(shù) 當輸入端口接匹配負載時的反向電壓傳輸系數(shù) 當輸入

6、端口接匹配負載時的輸出端電壓反射系數(shù) 上述定義的S參量用于射頻/微波頻段有許多優(yōu)點，簡述如下：(1)S參量給出了一個網(wǎng)絡端口之外的完整特性描述。(2)S參量的描述沒有使用在高頻頻段已失去意義的開路或短路(在低頻頻段所描述的) 的概念。因為隨頻率變化的短路或開路的阻抗特性已不能用來描述射頻/微波頻段的器件特性。此外，電路中短路或開路情況的出現(xiàn)，將導致強烈的反射(因為=1)，即引起振蕩或晶體管元件的損壞。(3)S參量要求在端口使用匹配負載，因匹配負載可吸收全部的入射功率，從而消除了過強的能量反射對設備或信源損傷的可能性。三Smith圓圖反射系數(shù)的公式為 (1.3) 其中為歸一化阻抗，為傳輸線的特性

7、阻抗或某一參考阻抗。由式(1.3)可以通過數(shù)學方法獲得Smith圓圖,Smith圓圖實為無源電路 (即Re(Z) 0)下的不同歸一化電阻和電抗值所對應的反射系數(shù)的軌跡，其等電阻值的軌跡是一組圓心位于水平軸(實軸)上的圓，而等電抗值的軌跡是一組圓心位于偏離垂直軸(虛軸)一個單位的直線上的圓。 (1.4) 由式1.4 Smith圓圖是由函數(shù)所描述的r和x在復平面上的軌跡。將分離為實部(U)和虛部(V)，便可得 (1.5) (1.6) (1.7) 根據(jù)式(1.6)和(1.7)可以得到兩組圓，當它們彼此重疊在一起時便構成了一張完整的Smith圓圖。這兩組圖的描繪過程敘述如下：(1).等r圓：從式(1.

8、6)和(1.7)中消去x后便可得第一個圓所滿足的方程為 （1.8）由方程(1.8)所描述的圓的圓心和半徑分別為 （1.9a） （1.9b）由式(1.9a)和式(1.9b)：所有等r圓的圓心都位于實軸上，且圓的半徑隨r的增大而減小。其中，r=0的圓即為Smith圓圖最外層的圓，而r=的圓縮為一點，位于(0，1)處。圖1.3進一步描述了這個概念。(2).等x圓：從式(1.6)和式(1.7)中消去r后便可得到第二個圓所滿足的方程為 （1.10a）由方程(1.10a)所描述的圓的圓心和半徑分別為 （1.10b） （1.10c）從式(1.10a)中可以看出：所有等x圓的圓心都位于平行于虛軸并向右平移一個

9、單位的直線上，且圓的半徑隨x的增大而縮小。其中，x=0的圓為Smith圓圖的實軸，而x=的圓縮小為一點，位于(1，0)處。將方程(1.8)和(1.10)所描述兩組圓重疊在一起，便得到了由全部的(r，x)值所構成的一個圓圖，這就是通常所稱的Smith圓圖，如圖1.3所示。圖1.3 標準Smith圓圖的結構(r0，)Smith圓圖上每一點處的歸一化阻抗ZN(其中r=Re(ZN) 0)與反射系數(shù)的值是一一對應的。圓圖的上半平面對應于正電抗值(x>0)的歸一化區(qū)域，下半平面對應于負電抗值(x<0)歸一化區(qū)域。注：Smith圓圖也可適用于歸一化導納YN的描述： (1.11a)其中，為傳輸線的

10、特性導納或某一參考導納。因此可將式(1.4)寫成 (1.11b)或改寫成 (1.12)可見其形式與用阻抗描述時的一致，只是現(xiàn)將YN平面映射到平面內，其中 (1.13)式(1.13)說明與僅相位相差180o而幅值相同，這意味著在同意圓圖中進行導納與阻抗的換算時，僅相當于將其相位調整180o。因此，Smith圓圖既可用做阻抗圓圖(Zsmith圓圖)，也可用做導納圓圖(Ysmith圓圖)。使用Smith圓圖需要注意和理解下列對應關系：Smith圓圖的魅力就在于：通過上述變換可將一個半無限、無界的區(qū)域(，)映射到一個有界的工作區(qū)域()內，這將使我們能以圖解的方式很容易地理解許多復雜微波問題四.實驗目標

11、設計參數(shù)指標：高頻截止頻率：2.45GHz；通帶內紋波系數(shù)小于2；4GHz處的插入損耗大于20dB；輸入輸出阻抗為50；使用FR4 PCB板。五實驗方案1.確定低通濾波器類型、階數(shù)和拓樸結構為了滿足實驗目標的要求，第一步選擇低通濾波器的類型，在ADS軟件中的DesignGuide中選擇Filter，點選S參數(shù)后連接仿真。點選Filter Assistant，輸入實驗目標的相關數(shù)據(jù)后，選擇用橢圓濾波器類型，最低階數(shù)可以為3階。如下圖1.4所示：圖1.42. 完成ADS集總參數(shù)原理圖仿真 在濾波器原理圖界面下，點選工具欄中的，進入到濾波器元器件的子電路,得到圖1.5所示。圖1.53.完成分布參數(shù)微

12、帶原理圖仿真 將濾波器元器件的子電路經過Richards變換和Kuroda等效后，并且修改微帶參數(shù)設置控件的相關參數(shù)，如下圖1.6所示。圖1.6 (1).進行匹配微帶線的計算，計算出50歐姆微帶線的長和寬。 (2).先將兩端Port去掉，添加S參數(shù)仿真元器件，并設置圖1.8(3).添加微帶線，并將微帶線的長和寬換為所計算的值，最后連接在一起。圖1.94. 仿真(1).進行電路原理圖仿真和Kuroda等效后仿真圖1.10 圖1.11(3).微帶線仿真圖1.12從微帶線仿真S11圖中可以觀測到反射比較大，應當調諧，直到所有指標達到要求且反射比較小。 (4).微帶線調諧后的仿真圖1.145. 完成分布參數(shù)版圖生成與仿真(1).版圖生成圖1.15(2).版圖仿真圖1.16觀察仿真圖像，符合實驗指標要求。6 實物加工及測試1. 做出的實物圖如圖1.17所示。圖1.172. 用矢量網(wǎng)絡分析儀測試的結果如下圖1.18所示。圖1.18七實驗心得 通過這次低通濾波器的設計、調試與制作，自己學到了很多知識，感謝老師、師兄和同學的指導與幫助，使我對制作