實(shí)驗(yàn)四微帶線(xiàn)帶通濾波器設(shè)計(jì)

1、實(shí)驗(yàn)四：基于ADS軟件的平行耦合微帶線(xiàn)帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真一、 實(shí)驗(yàn)原理濾波器是用來(lái)分離不同頻率信號(hào)的一種器件，在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對(duì)電路的性能指標(biāo)有很大的影響，微帶電路具有體積小， 重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點(diǎn)，在微波電路系統(tǒng)應(yīng)用廣泛， 其中用微帶做濾波器是其主要應(yīng)用之一。平行耦合微帶線(xiàn)帶通濾波器在微波集成電路中是被廣為應(yīng)用的帶通濾波器。1、 濾波器的介紹濾波波器可以分為四種：低通濾波器和高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。射頻濾波器又可以分為以下波導(dǎo)濾波器、同軸線(xiàn)濾波器、帶狀線(xiàn)濾波器、微帶濾波器。濾波的性能指標(biāo)： 頻率范圍：濾波器通過(guò)或截?cái)嘈盘?hào)的頻率界限 通帶衰減：濾波器殘存的反射

2、以及濾波器元件的損耗引起 阻帶衰減：取通帶外與截止頻率為一定比值的某頻率的衰減值 寄生通帶：有分布參數(shù)的頻率周期性引起，在通帶外又產(chǎn)生新的通帶2、平行耦合微帶線(xiàn)濾波器的理論當(dāng)頻率達(dá)到或接近GHz時(shí)，濾波器通常由分布參數(shù)元件構(gòu)成，平行耦合微帶傳輸線(xiàn)由兩個(gè)無(wú)屏蔽的平行微帶傳輸線(xiàn)緊靠在一起構(gòu)成，由于兩個(gè)傳輸線(xiàn)之間電磁場(chǎng)的相互作用，在兩個(gè)傳輸線(xiàn)之間會(huì)有功率耦合，這種傳輸線(xiàn)也因此稱(chēng)為耦合傳輸線(xiàn)。平行耦合微帶線(xiàn)可以構(gòu)成帶通濾波器，這種濾波器是由四分之一波長(zhǎng)耦合線(xiàn)段構(gòu)成，她是一種常用的分布參數(shù)帶通濾波器。當(dāng)兩個(gè)無(wú)屏蔽的傳輸線(xiàn)緊靠一起時(shí)， 由于傳輸線(xiàn)之間電磁場(chǎng)的相互作用， 在傳輸線(xiàn)之間會(huì)有功率耦合， 這種傳輸

3、線(xiàn)稱(chēng)之為耦合傳輸線(xiàn)。根據(jù)傳輸線(xiàn)理論， 每條單獨(dú)的微帶線(xiàn)都等價(jià)為小段串聯(lián)電感和小段并聯(lián)電容。每條微帶線(xiàn)的特性阻抗為Z0， 相互耦合的部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)， 微帶線(xiàn)的寬度為W， 微帶線(xiàn)之間的距離為S， 偶模特性阻抗為Z e， 奇模特性阻抗為Z0。單個(gè)微帶線(xiàn)單元雖然具有濾波特性， 但其不能提供陡峭的通帶到阻帶的過(guò)渡。如果將多個(gè)單元級(jí)聯(lián)， 級(jí)聯(lián)后的網(wǎng)絡(luò)可以具有良好的濾波特性。二、 耦合微帶線(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)的流程1、 確定濾波器指標(biāo)2、 計(jì)算查表確定濾波器級(jí)數(shù)N3、 確定標(biāo)準(zhǔn)濾波器參數(shù)4、 計(jì)算傳輸線(xiàn)奇偶模特性阻抗5、 計(jì)算微帶線(xiàn)尺寸6、 仿真7、 優(yōu)化再仿真得到波形圖設(shè)計(jì)參數(shù)要求：（1） 中心頻率：2.4GHz

4、；（2） 相對(duì)帶寬：9%；（3） 帶內(nèi)波紋：<0.5dB；（4） 在頻率1.9GHz和2.9GHz處，衰減>20dB；（5） 輸入輸出阻抗：50。三、 具體設(shè)計(jì)步驟第一步：先用設(shè)計(jì)向?qū)гO(shè)計(jì)原理圖：（1）打開(kāi)ADS窗口，建立工程（2）在原理圖窗口中的工具欄中選擇【DesignGuide】>【Filter】> 【Filter Control Window】單擊確定后，彈出向?qū)гO(shè)計(jì)窗口，選擇Filter Assistant選項(xiàng)，在窗口中輸入Fs1=1.9，F(xiàn)s2=2.9，F(xiàn)p1=2.29，F(xiàn)p2=2.5，Ap=0.2，As=24.6，得到所需要的波形以及階數(shù)N=3把參數(shù)要求輸

5、進(jìn)去得到原理圖：第二步：由生成原理圖可以知道用三階可以實(shí)現(xiàn)。下面計(jì)算參數(shù)：1、確定下邊頻和歸一化帶寬。假設(shè)下邊頻為1、上變頻為2、中心頻率為0，歸一化帶寬為：=(2-1)/ 0,其中0=2.4GHz，=9%得到2-1=0.216 GHz 又2+1=4.8 GHz所以1=2.292 GHz 2=2.508 GHz（1）計(jì)算低通濾波器原型參數(shù)。3階、帶內(nèi)波紋小于0.5dB的切比雪夫?yàn)V波器原型參數(shù)通過(guò)查表得 g1=1.5963 ；g2=1.0967 ； g3=1.5963（2）計(jì)算每節(jié)奇偶模的特性阻抗，濾波器需要4節(jié)耦合微帶線(xiàn)連級(jí)，由以下公式計(jì)算（3）計(jì)算得到各個(gè)參數(shù)如下表所示：節(jié)偶模特性阻抗奇模特

6、性阻抗169.339.5255.945.2355.945.2469.339.5系統(tǒng)阻抗50 說(shuō)明：上表的阻抗單位都為歐姆，導(dǎo)體帶的導(dǎo)體帶的寬度、導(dǎo)體帶的間隔藕合線(xiàn)的長(zhǎng)度單位都為mm，相移角表示計(jì)算微帶線(xiàn)的時(shí)候?yàn)?0度。四、設(shè)計(jì)平行耦合微帶線(xiàn)帶通濾波器原理圖 （1）創(chuàng)建項(xiàng)目啟動(dòng)ADS軟件，彈出主視窗。選擇主視窗中的【file】菜單->【new project】，彈出【new project】對(duì)話(huà)框，在【new project】對(duì)話(huà)框輸入項(xiàng)目名稱(chēng)和這個(gè)項(xiàng)目默認(rèn)的長(zhǎng)度單位。（2）利用ADS的計(jì)算工具tools完成對(duì)微帶濾波器的計(jì)算ADS軟件中的工具tools，可以對(duì)不同類(lèi)型的傳輸線(xiàn)進(jìn)

7、行計(jì)算，使用者可以利用計(jì)算工具提供的圖形化界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于平行耦合微帶線(xiàn)來(lái)說(shuō)，可以進(jìn)行物理尺寸和電參數(shù)之間的數(shù)值計(jì)算，若給定平行耦合微帶線(xiàn)奇模和偶模的特性阻抗，可以計(jì)算平行耦合微帶線(xiàn)導(dǎo)體帶的角度和間隔距離。下面利用ADS軟件提供的計(jì)算工具，完成對(duì)平行耦合微帶線(xiàn)的計(jì)算。在原理圖上，選擇【tools】菜單->【LineCalc】->【Start LineCalc】命令，彈出【LineCalc】計(jì)算窗口。如圖示。設(shè)置所需參數(shù)。在【LineCalc】計(jì)算窗口選擇如下： Er=2.7，表示微帶線(xiàn)基板的相對(duì)介電常數(shù)為2.7。 Mur=1，表示微帶線(xiàn)的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。 H=1mm，表示微帶線(xiàn)基

8、板的厚度為1mm。 Hu=1.0e+033，表示微帶線(xiàn)的封裝高度為1.0e+033。 T=0.05mm，表示微帶線(xiàn)的導(dǎo)體厚度為0.05mm。 Cond=5.8E+7，表示微帶線(xiàn)導(dǎo)體的電導(dǎo)率為5.8E+7。 TanD=0.0003，表示微帶線(xiàn)的損耗角正切為0.0003. Freq=2.4GHZ，表示計(jì)算時(shí)采用的頻率為2.4GHZ. Ze，表示計(jì)算時(shí)偶模的特性阻抗。 Zo，表示計(jì)算時(shí)奇模的特性阻抗。這樣通過(guò)計(jì)算工具可以依次算出微帶線(xiàn)的尺寸節(jié)偶模特性阻抗奇模特性阻抗相移導(dǎo)體帶的寬度導(dǎo)體帶的間隔藕合線(xiàn)的長(zhǎng)度169.339.5902.262190.2710121.4913255.945.2902.570

9、11.2401321.0792355.945.2902.57011.2401321.0792469.339.5902.262190.2710121.4913系統(tǒng)阻抗50  2.633 20.9949（3）設(shè)計(jì)微帶線(xiàn)原理圖 a、在原理圖的元件面板列表中，選擇微帶線(xiàn)【TLines-Microstrip】，元件面板上出現(xiàn)與微帶線(xiàn)對(duì)應(yīng)的元件圖標(biāo)。 b、在微帶線(xiàn)元件面板上選擇Mcfil，4次插入原理圖的畫(huà)圖區(qū)，Mcfil是一段長(zhǎng)度的平行耦合微帶線(xiàn)，可以設(shè)置這段平行耦合微帶線(xiàn)的導(dǎo)體帶寬度W，導(dǎo)體帶間隔S和長(zhǎng)度L。分別雙擊畫(huà)圖區(qū)的4個(gè)Mcfil，將4個(gè)Mcfil的數(shù)值根據(jù)列表中

10、的數(shù)值設(shè)置，如圖所示。c、在微帶線(xiàn)元件面板上選擇MLIN，兩次插入原理圖的畫(huà)圖區(qū)，MLIN是一段長(zhǎng)度的微帶線(xiàn)，可以設(shè)置這段微帶線(xiàn)的寬度W和長(zhǎng)度L。分別雙擊可以設(shè)置。選擇S參數(shù)仿真元件面板，在元件面板上選擇負(fù)載終端Term，兩次插入原理圖，再插入兩次地線(xiàn)，完成連線(xiàn)如下圖（4）原理圖仿真 在仿真之前，首先設(shè)置S參數(shù)仿真控件SP，SP對(duì)原理圖中的仿真參量給出取值范圍，當(dāng)S參數(shù)仿真控件SP確定后，就可以仿真了。 在S參數(shù)仿真元件面板【Simulation-S_Param】上，選擇S參數(shù)仿真控件SP，插入原理圖區(qū)，對(duì)S參數(shù)控件設(shè)置如下start=1.5GHz，stop=3.5GHz，step=2.0MH

11、z仿真后波形如下：序號(hào)頻率dB(S(21)M12.4GHz-0.646M22.3GHz-0.56M32.5GHz-10.817M41.9GHz-42.115M52.9GHz-39.476有上表中看出，雖然在2.9GH和1.9GHz時(shí)滿(mǎn)足要求，但在中心頻率2.4GHz偏移了，而且通帶的上限頻率和下限頻率都不滿(mǎn)足，帶內(nèi)波紋也不滿(mǎn)足。所以要進(jìn)行優(yōu)化：（5）原理圖優(yōu)化修改平行微帶線(xiàn)段的取值方式，將平行耦合微帶線(xiàn)段的導(dǎo)體帶寬度W、兩個(gè)導(dǎo)體帶的間隔S和耦合微帶線(xiàn)的長(zhǎng)度L設(shè)置為變量，并設(shè)置相鄰平行耦合微帶線(xiàn)的尺寸，分別在下面窗口中設(shè)置4段微帶線(xiàn)設(shè)置完成后，在原理圖的工具欄選擇【VAR】按鈕，插入原理圖的畫(huà)圖

12、區(qū)。在畫(huà)圖區(qū)雙擊VAR，彈出【Variables and Equations】對(duì)話(huà)框，在對(duì)話(huà)框中對(duì)變量w1、s1、l1、w2、s2、l2的范圍進(jìn)行設(shè)置w1(1 to 3) w2(1 to 4) s1(0.2 to 0.5) s2(0.7 to 1.5) l1(20 to 30) l2(20 to 30)得到在原理圖中插入優(yōu)化控件Optim，雙擊優(yōu)化控件Optim，設(shè)置優(yōu)化次數(shù)為100次在原理圖中插入3個(gè)目標(biāo)控件DOE GOAL,雙擊設(shè)置如下最后所得的優(yōu)化原理圖為最后通過(guò)工具欄中【Simulate】>【Tuning】進(jìn)行調(diào)諧得到仿真的波形圖如下，優(yōu)化后的值如下表：節(jié)偶模特性阻抗奇模特性阻抗相移導(dǎo)體帶的寬度優(yōu)化后的導(dǎo)體帶的寬度導(dǎo)體帶的間隔優(yōu)化后導(dǎo)體帶的間隔藕合線(xiàn)的長(zhǎng)度優(yōu)化后的藕合線(xiàn)的長(zhǎng)度169.339.5902.262191.620210.271010.13621.491321.4913255.945.2902.57011.291.240131.161321.079221.0792355.945.2902.57011.291.240131.161321.079221.0792469.339.5902.262191.620210.271010.13621.491321.4913系統(tǒng)阻抗502.63320.9949序號(hào)頻率dB(S(2,1)M12.3GHz-0.469M2