課程設(shè)計(jì)——基于ADS的微帶濾波器設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：基于ADS的微帶濾波器設(shè)計(jì)姓 名： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 電子101專 業(yè)： 電子信息工程指導(dǎo)老師： 提交時(shí)間： 2014-01-051.緒論我們利用微波濾波器只讓頻率正確的的信號(hào)通過阻礙頻率不同的信號(hào)的特性來區(qū)分信號(hào)。濾波器的性能對(duì)微波電路系統(tǒng)的性能指標(biāo)有很大的影響，因此設(shè)計(jì)微波電路系統(tǒng)時(shí)設(shè)計(jì)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(yīng)用廣泛路。具有個(gè)體，質(zhì)量輕、頻帶分布寬等特點(diǎn)，其中用微帶做濾波器是其主要應(yīng)用之一，微帶濾波器當(dāng)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(zhuǎn)化過來。其中最大平坦濾波器和切比雪夫?yàn)V波器是兩種常用的低通濾波器的原

2、型。因此本節(jié)將重點(diǎn)研究如何 設(shè)計(jì)并優(yōu)化微帶濾波器1.1 微帶濾波器簡介濾波器是一個(gè)的二端口網(wǎng)絡(luò)，對(duì)頻率適合的信號(hào)進(jìn)行傳輸，對(duì)頻率不匹配的信號(hào)進(jìn)行發(fā)射衰減，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜過濾。典型的頻率響應(yīng)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(duì)濾波器進(jìn)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(diào)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。1.2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(duì)下降1dB或3dB邊頻點(diǎn)。窄帶

3、濾波器常以插損最小點(diǎn)為中心頻率計(jì)算通帶帶寬。（2）截止頻率：指低通濾波器的通帶右邊頻點(diǎn)及高通濾波器的通帶左邊頻點(diǎn)。通常以1dB或3dB相對(duì)損耗點(diǎn)來標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)，下降X（dB）處對(duì)應(yīng)的左、右邊頻點(diǎn)。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?jǐn)?shù)帶寬=BW3dB/f0×100%，（4）紋波：指1dB或3dB帶寬（截止頻率）范圍內(nèi)，插損隨頻率在損耗均值曲線基礎(chǔ)上波動(dòng)的峰-峰值。（5）帶內(nèi)波動(dòng)：通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內(nèi)的

4、帶內(nèi)波動(dòng)是1dB。（6）帶內(nèi)駐波比：衡量濾波器通帶內(nèi)信號(hào)是否良好匹配傳輸?shù)囊豁?xiàng)重要指標(biāo)。理想匹配VSWR=1：1，失配時(shí)VSWR1。對(duì)于一個(gè)實(shí)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(guān)。（7）回波損耗：端口信號(hào)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(shí)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(biāo)。該指標(biāo)越高說明對(duì)帶外干擾信號(hào)抑制的越好。2. ADS2.1 ADS簡介 ADS 全名Advanced Design System，由安捷倫推

5、出，是當(dāng)今業(yè)界最流行的微波射頻電路、通信系統(tǒng)、RFIC設(shè)計(jì)軟件；也是國內(nèi)高校、科研院所使用最多的軟件。可以實(shí)現(xiàn)包括時(shí)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(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，提升了電路的設(shè)計(jì)效率，是一款好用的的微波射頻電路、系統(tǒng)信號(hào)鏈路的設(shè)計(jì)工具。2.2 ADS的仿真功能ADS有著非常強(qiáng)大的仿真能力，可以進(jìn)直交流仿真，s參數(shù)仿真，諧波平衡增益壓縮電路包絡(luò)預(yù)算電磁仿真等，這些仿真可以進(jìn)行現(xiàn)行非線性仿真，電路仿真，頻域時(shí)域仿真等。1線性分析線性分析可以對(duì)線性非線性電路進(jìn)行線性分析，主要是對(duì)頻域、小信號(hào)電路進(jìn)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

6、間響應(yīng)屬于時(shí)域仿真分析。3電路包絡(luò)分析電路包絡(luò)分析可以將高頻調(diào)制信號(hào)分解為時(shí)域和頻域兩個(gè)部分進(jìn)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(hào)非線性穩(wěn)態(tài)電路的仿真分析方法。3. 基于ADS的微帶濾波器設(shè)計(jì)3.1微帶濾波器的設(shè)計(jì)要求本小節(jié)設(shè)計(jì)一個(gè)微帶低通濾波器，濾波器的指標(biāo)如下： 輸入、輸出阻抗為50歐姆; 截止頻率為3Ghz；紋波為0.5dB; 4.5Ghz時(shí)損耗不小于25 dB; Vp=0.6C。3.2 濾波器的仿真設(shè)計(jì) 新建工程，選擇【File】【New Project】，系統(tǒng)出現(xiàn)新建工程對(duì)話框。在name欄中輸入工程名，并在Project Technology File

7、s欄中選擇ADS Standard：Length unitmillimet，默認(rèn)單位為mm，如圖2所示。單擊ok，完成新建工程，此時(shí)原理圖設(shè)計(jì)窗口會(huì)自動(dòng)打開。圖1 點(diǎn)擊ok后顯示如圖3所示。其中有三種方式供選擇，我們此次不需要此種方法，故點(diǎn)擊cancel，直接取消。圖2由于ADS軟件自帶許多功能，其中包括濾波器設(shè)計(jì)向?qū)?。我們可以通過其直接完成該課題的設(shè)計(jì)。點(diǎn)擊DesignGuide，在下拉框中選擇Filter選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中選擇第一項(xiàng)，既Filter Control Window，彈出濾波器設(shè)計(jì)向?qū)?圖3點(diǎn)擊工具欄中最右邊的，彈出Filter DGAll，或者直接在元件庫中選擇Filte

8、r DGAll進(jìn)入即可，我們?cè)O(shè)計(jì)的是低通濾波器，既選擇即可，將選中后可雙擊編輯各種技術(shù)要求?；驈男逻M(jìn)入濾波器再的設(shè)計(jì)向?qū)е羞x擇Filter Assistant，從中編輯各個(gè)技術(shù)要求。（圖5）。 圖4 在Filter Assistant中選擇Design，既完成了集成器件的低通濾波器。然后選擇Simulation Assistant中設(shè)置頻率，然后點(diǎn)擊仿真。觀測(cè)S21仿真圖。如圖。圖5 由圖可知，設(shè)計(jì)可以滿足該課題的技術(shù)要求。故只需將其通過Richards轉(zhuǎn)換變?yōu)闊o源器件即可。3.3 Richards轉(zhuǎn)換 Richards轉(zhuǎn)換是將一段開路或短路傳輸線等效分布的電感或電容元器件的理論，即將串聯(lián)電感

9、等效為一段短路短截線，將并聯(lián)電容等效為一段并聯(lián)短截線。但實(shí)際的微帶電路設(shè)計(jì)中串聯(lián)短路短截線是無法實(shí)現(xiàn)的。Kuroda等效給出了并聯(lián)短截線和一段傳輸線與及串聯(lián)短截線和一段傳輸線兩種電路之間的一種轉(zhuǎn)換方法。在濾波器向?qū)?duì)話框中選擇按鈕，彈出Transformation Assistant對(duì)話框，直接選擇“LC to Microstrip”選項(xiàng)，單擊集總器件選中串聯(lián)電感，將會(huì)出現(xiàn)圖7所示的電感轉(zhuǎn)換界面。 圖 6將串聯(lián)電感轉(zhuǎn)換成125 Ohm的高阻抗微帶線，其中h=30 mil，Er=3同理將并聯(lián)電容C進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 將并聯(lián)電容轉(zhuǎn)換為25 Ohm的低阻抗微帶線，從而實(shí)現(xiàn)高低阻抗實(shí)現(xiàn)低通濾波器。轉(zhuǎn)換完成后，

10、點(diǎn)擊，結(jié)果圖如下。3.4 分布元件仿真首先選擇，在其中找到兩個(gè)端口并放置在圖中連線接地，再添加仿真模型，雙擊，設(shè)置不僅頻率，如下圖連接好的電路如下： 點(diǎn)擊工具欄的進(jìn)行仿真，結(jié)果圖如下：對(duì)比兩次結(jié)果圖與課設(shè)要求可知滿足要求。3.5 制版圖在ADS制版圖中，需要將兩個(gè)端口失效，故點(diǎn)擊窗口上的，再點(diǎn)擊Term，使其失效。然后執(zhí)行Layout Generate/Update Layout，將彈出 Generate/Update Layout 對(duì)話框，如下圖，我們選擇默認(rèn)設(shè)置。 完成后版圖如下版圖生成后對(duì)微帶和基板的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，執(zhí)行Momentum Substrate Create/Modify，將基

11、板進(jìn)行如下設(shè)置。配置完成后，仿真結(jié)果如下。4心得體會(huì)四個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)終于完了，此次的課程設(shè)計(jì)讓我感觸很多，不僅僅是知識(shí)上的學(xué)習(xí)和掌握，同時(shí)也讓我明白了很多做人的道理。在開始階段，老師讓我們了解一些基本知識(shí)，當(dāng)自己照著學(xué)習(xí)指導(dǎo)上的內(nèi)容完成了一個(gè)課題時(shí)那種心情很棒，在后面的時(shí)間里老師讓我們自己設(shè)計(jì)一個(gè)課程項(xiàng)目時(shí)，我覺得自己沒有盡自己的最大努力去設(shè)計(jì)課程項(xiàng)目，很多時(shí)候自己去玩了。如果時(shí)間可以重來，我可能會(huì)認(rèn)真的去學(xué)習(xí)和研究，我相信無論是誰看到自己做出的成果時(shí)心里一定會(huì)很興奮。此次實(shí)驗(yàn)讓我明白了一個(gè)很深刻的道理：團(tuán)隊(duì)精神固然很重要，但是人往往還是要靠自己的努力，自己親身去經(jīng)歷，學(xué)到的東西才會(huì)更多。盡管如此，這四周的時(shí)間里我還是學(xué)到了很多知識(shí)，我所做的課題是基于ADS的低通濾波器設(shè)計(jì)。通過這些我了解了基本的ADC應(yīng)用，對(duì)電子設(shè)計(jì)的過程有了初步的了解，同時(shí)也學(xué)會(huì)了一些ADC軟件仿真方法，這些對(duì)我將來的學(xué)習(xí)和工作都有很大的幫助。這次課程設(shè)計(jì)是一個(gè)理論與實(shí)踐結(jié)合的過程，讓我明白理論知識(shí)往往是不夠的，只有把所學(xué)的理論與實(shí)際行動(dòng)相結(jié)合，才會(huì)提高自己的綜合實(shí)際能力和獨(dú)立思考能力。在設(shè)計(jì)的過程中我們都會(huì)遇到很多的問題，但往往是一個(gè)小問題都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗，這就要我們花大量的時(shí)間去思索和改正，這是一個(gè)