橢圓低通濾波器設(shè)計仿真課程設(shè)計(論文)

ABSTRACT摘要PAGE32PAGE31摘要濾波器是自動控制、信號處理和通信領(lǐng)域重要組成部分，廣泛運用各個系統(tǒng)中。ADS（AdvancedDesignSystem）軟件是安捷倫公司開發(fā)的電子設(shè)計自動化軟件，功能強大，仿真手段豐富多樣，并可對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，是非常優(yōu)秀的微波電路設(shè)計工具。它的版面計算功能和建模功能，能夠精確的對濾波器的匹配電路進(jìn)行優(yōu)化和計算。本文是通過利用ADS自帶的濾波器設(shè)計向?qū)崿F(xiàn)橢圓低通濾波器的設(shè)計，介紹了橢圓型濾波器的基本原理和設(shè)計理念，給出了基于ADS設(shè)計濾波器的基本步驟和怎么利用ADS對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。關(guān)鍵詞：濾波器設(shè)計，ADS，仿真AbstractABSTRACTFilterisanimportantpartofautomaticcontrol,signalprocessingandcommunications,widelyusedinvarioussystems.ADS(AdvancedDesignSystem)softwareiselectronicdesignautomationsoftwaredevelopedbyAgilent,powerful,meansrichanddiverse,andtooptimizethedesign,itisaverynicemicrowavecircuitdesigntools.Itslayoutcalculationandmodelingcapabilities,abletoaccuratelytooptimizefiltermatchingcircuitandcalculation.ThisisthroughtheuseofADS'sfilterdesignguideimplementationofellipticlow-passfilterdesign,introducesthebasicprinciplesandellipticfilterdesignconcepts,designbasedonADSfilterisgiventhebasicstepsandhowtouseyourADStooptimizethedesignKeywords:filterdesign,ADS,simulation電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科課程設(shè)計（論文）目錄目錄第1章 引言 11.1背景和意義 11.1濾波器的發(fā)展前景 11.2濾波器的前景 21.3本次的主要任務(wù) 2第2章 LC濾波器 32.1濾波器的介紹 32.2濾波器的分類 32.3濾波器的主要參數(shù)（Definitions) 42.4濾波器的特性指標(biāo) 52.4.1特征頻率 52.4.2增益與衰耗 62.4.3阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù) 62.4.4靈敏度 62.4.5群時延函數(shù) 62.5LC濾波器的工作原理 72.6二端口網(wǎng)絡(luò)的意義 92.6.1S參數(shù)的意義 92.6.2S參數(shù)的意義 11第3章 設(shè)計的理論基礎(chǔ) 133.1橢圓濾波器 133.2橢圓濾波器的特點 133.3低通濾波器 143.4橢圓低通濾波器的設(shè)計理論 163.5設(shè)計計算 16第4章 ADS的仿真 204.1ADS軟件介紹 204.2設(shè)計目標(biāo) 204.3ADS仿真 214.3.1運行ADS 21第5章 總結(jié) 29參考文獻(xiàn) 30致謝 31第1章引言引言1.1背景和意義如今，無線通信技術(shù)飛速發(fā)展，人們對無線產(chǎn)品的需求迅速增長，濾波器在許多射頻\微波的應(yīng)用中扮演重要角色，并隨著通信技術(shù)的發(fā)展而取得不斷進(jìn)展，它們被用來離散或者合成不同的頻率，正發(fā)揮著巨大的作用。與此同時，無線通信對射頻\微波濾波器的要求也比以往任何時候都更嚴(yán)格——更輕的重量，更小的尺寸，更低的成本。這就要求我們在原有濾波器的理論上更深入的研究其原理和設(shè)計方法。

我國現(xiàn)有濾波器的種類和所覆蓋的頻率已基本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備。我國各類濾波器的應(yīng)用情況：LC濾波器占50%；晶體濾波器占20%；機械濾波器占15%；陶瓷和聲表面濾波器各占1%；其余各類濾波器共占13%[1]。顯然，LC濾波器在所有濾波器中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，對它的研究仍具有重要意義。濾波器的發(fā)展前景凡是有能力進(jìn)行信號處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最為復(fù)雜的要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。1917年美國和德國科學(xué)家分別發(fā)明了LC濾波器，次年導(dǎo)致了美國第一個多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。20世紀(jì)50年代無源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計算機技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個新臺階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向。導(dǎo)致RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應(yīng)用。80年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍。90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當(dāng)然，對濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。

我國廣泛使用濾波器是50年代后期的事，當(dāng)時主要用于話路濾波和報路濾波。經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，我國濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國際發(fā)展步伐，但由于缺少專門研制機構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來，使得我國許多新型濾波器的研制應(yīng)用與國際發(fā)展有一段距離。濾波器的前景隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對濾波器的性能要求越來越高，功能也越來越多，并且要求它們向集成方向發(fā)展。我國濾波器研制和生產(chǎn)與上述要求相差甚遠(yuǎn)，為縮短這個差距，電子工程和科技人員負(fù)有重大的歷史責(zé)任。本次的主要任務(wù)本文的主要工作是對橢圓低通濾波器進(jìn)行研究。本論文在總體結(jié)構(gòu)上共分為5章。第1章引言，本章介紹了濾波器的背景及其發(fā)展。第2章濾波器的基礎(chǔ)理論及濾波器各項指標(biāo)。第3章介紹各種橢圓濾波器原理與結(jié)構(gòu)，主要對橢圓低通濾波器的原理進(jìn)分析。第4章橢圓低通濾波器的設(shè)計，對橢圓低通濾波器進(jìn)行設(shè)計并得到仿真結(jié)果，對其進(jìn)行分析。第5章結(jié)論，全文總結(jié)。第2章LC濾波器LC濾波器2.1濾波器的介紹LC濾波器是一種歷史最悠久的濾波器，上世紀(jì)二十年代已經(jīng)開始應(yīng)用。今天，它仍然被廣泛應(yīng)用于電信技術(shù)的各個領(lǐng)域中。LC濾波器通常的應(yīng)用范圍可以是小于1G，做的出色的可以做到3G，那需要特殊的材料和工藝以及經(jīng)驗，實際上我們自己在通常情況下，能夠做到100M就不錯了。2—300M以上一般都已經(jīng)需要使用印制線作為電感。而帶寬通常在5—30%，做得好的可以做到1—60%。插損一般為2—12dB。阻帶抑制一般可以做到4—50dB，好的為7—80dB。國內(nèi)做得好的當(dāng)數(shù)13所和總參57所上海分所。影響LC濾波器應(yīng)用的主要障礙是線圈和電容器的參數(shù)值比較特殊。也就是說，不能使用標(biāo)準(zhǔn)元件，所用的元件是特別訂制的。特別是難以購買到線圈，訂制時需要有一定的交貨期，如果數(shù)量少則價格更高。所以，當(dāng)需要使用LC濾波器時，往往采用連同設(shè)計在內(nèi)一起交給廠家制作的方法。但是，在對性能有特別要求的場合，設(shè)計者如果常備有制作線圈的鐵心和繞線架，自己繞制線圈，用RLC測量儀表選擇電容器，就能夠在短時間內(nèi)制作出在任意截止頻率下的特性都比較陡峭的濾波器。另外，如果是階數(shù)較低的低通濾波器或高通濾波器，也可以用市面上出售的標(biāo)準(zhǔn)品——微型電感進(jìn)行簡單的設(shè)計。2.2濾波器的分類（1）按元件分類，濾波器可分為：有源濾波器、無源濾波器、陶瓷濾波器、晶體濾波器、機械濾波器、鎖相環(huán)濾波器、開關(guān)電容濾波器等。按信號處理的方式分類，濾波器可分為：模擬濾波器、數(shù)字濾波器。（2）按通頻帶分類，濾波器可分為：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等。除此之外，還有一些特殊濾波器，如滿足一定頻響特性、相移特性的特殊濾波器，例如，線性相移濾波器、時延濾波器、音響中的計杈網(wǎng)絡(luò)濾波器、電視機中的中放聲表面波濾波器等。（3）按通帶濾波特性分類，有源濾波器可分為：最大平坦型（巴特沃思型）濾波器、等波紋型（切比雪夫型）濾波器、線性相移型（貝塞爾型）濾波器等。（4）按運放電路的構(gòu)成分類，有源濾波器可分為：無限增益單反饋環(huán)型濾波器、無限增益多反饋環(huán)型濾波器、壓控電源型濾波器、負(fù)阻變換器型濾波器、回轉(zhuǎn)器型濾波器等。2.3濾波器的主要參數(shù)（Definitions)（1）中心頻率（CenterFrequency）：濾波器通帶的中心頻率f0，一般取，f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點。窄帶濾波器常以插損最小點為中心頻率計算通帶帶寬。（2）截止頻率（Cutoff

Frequency）：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(biāo)準(zhǔn)定義。相對損耗的參考基準(zhǔn)為：低通以DC處插損為基準(zhǔn)，高通則以未出現(xiàn)寄生阻帶的足夠高通帶頻率處插損為基準(zhǔn)。（3）通帶帶寬（BWxdB）：（下圖）指需要通過的頻譜寬帶，f1、f2為以中心頻率f0處插入損耗為基準(zhǔn)，下降X（dB）處對應(yīng)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?jǐn)?shù)帶寬（fractional

bandwidth）=，也常用來表征濾波器通帶帶寬。（4）插入損耗（Insertion

Loss）：由于濾波器的引入對電路中原有信號帶來的衰耗，以中心或截止頻率處損耗表征，如要求全帶內(nèi)插損需強調(diào)。（5）紋波（Ripple）：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)上波動的峰-峰值。（6）帶內(nèi)波動（Passband

Riplpe）：通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內(nèi)的帶內(nèi)波動是1dB。（7）帶內(nèi)駐波比（VSWR）：衡量濾波器通帶內(nèi)信號是否良好匹配傳輸?shù)囊豁椫匾笜?biāo)。理想匹配：1，失配時。對于一個實際的濾波器而言，滿足：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)。（8）回波損耗（Return

Loss）：端口信號輸入功率與反射功率之比的分貝（dB）數(shù)，也等于|20Log10ρ|，ρ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。（9）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)越高說明對帶外干擾信號抑制的越好。通常有兩種提法：一種為要求對某一給定帶外頻率fs抑制多少dB，計算方法為fs處衰減量As-IL；另一種為提出表征濾波器幅頻響應(yīng)與理想矩形接近程度的指標(biāo)——矩形系數(shù)（），，（X可為40dB、30dB、20dB等）。濾波器階數(shù)越多矩形度越高——即K越接近理想值1，制作難度當(dāng)然也就越大。（10）延遲（Td）：指信號通過濾波器所需要的時間，數(shù)值上為傳輸相位函數(shù)對角頻率的導(dǎo)數(shù)，即。（11）帶內(nèi)相位線性度：該指標(biāo)表征濾波器對通帶內(nèi)傳輸信號引入的相位失真大小。按線性相位響應(yīng)函數(shù)設(shè)計的濾波器具有良好的相位線性度，但頻率選擇性很差，限于脈沖、或調(diào)相信號傳輸系統(tǒng)應(yīng)用。（12）極點：是指在低通或者高通濾波器中，電抗元件的個數(shù)，如電感、電容；或者在帶通濾波器中電抗元件對的數(shù)量。對全極點濾波器而言，其極點和階數(shù)是一致的，并且其極點數(shù)量決定了濾波器幅頻特性的陡峭程度。（13）寄生響應(yīng)：是由濾波元件本身的引線及寄生電感、電容等的電抗，在不同的頻率下諧振導(dǎo)致。2.4濾波器的特性指標(biāo)2.4.1特征頻率（1）通帶截頻為通帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。（2）阻帶截頻為阻帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為定的下限。（3）轉(zhuǎn)折頻率為信號功率衰減到1/2(約3dB)時的頻率，在很多情況下，常以fc作為通帶或阻帶截頻。（4）固有頻率為電路沒有損耗時，濾波器的諧振頻率，復(fù)雜電路往往有多個固有頻率。2.4.2增益與衰耗濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。（1）對低通濾波器通帶增益一般指w=0時的增益；高通指w→∞時的增益；帶通則指中心頻率處的增益。（2）對帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。（3）通帶增益變化量△Kp指通帶內(nèi)各點增益的最大變化量，如果△以dB為單位，則指增益dB值的變化量。2.4.3阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)（1）阻尼系數(shù)是表征濾波器對角頻率為w0信號的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項指標(biāo)。（2）阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù)，是價帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指標(biāo)，。式中的△w為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬，w0為中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。2.4.4靈敏度（1）濾波電路由許多元件構(gòu)成，每個元件參數(shù)值的變化都會影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標(biāo)y對某一元件參數(shù)x變化的靈敏度記作，定義為：。（2）該靈敏度與測量儀器或電路系統(tǒng)靈敏度不是一個概念，該靈敏度越小，標(biāo)志著電路容錯能力越強，穩(wěn)定性也越高。2.4.5群時延函數(shù)當(dāng)濾波器幅頻特性滿足設(shè)計要求時，為保證輸出信號失真度不超過允許范圍，對其相頻特性∮(w)也應(yīng)提出一定要求。在濾波器設(shè)計中，常用群時延函數(shù)價信號經(jīng)濾波后相位失真程度。群時延函數(shù)越接近常數(shù)，信號相位失真越小。2.5LC濾波器的工作原理無源濾波器，又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對主要次諧波（3、5、7）構(gòu)成低阻抗旁路；單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器都屬于無源濾波器。濾波器是一種二端口網(wǎng)絡(luò)。它具有選擇頻率的特性，即可以讓某些頻率順利通過。而對其它頻率則加以阻攔，目前由于在雷達(dá)、微波、通訊等部門，多頻率工作越來越普遍。對分隔頻率的要求也相應(yīng)提高；所以需用大量的濾波器。在低頻部分。將逐漸為有源濾波器和陶瓷濾波器所替代。在高頻部分也出現(xiàn)了許多新型的濾波器，例如：螺旋振子濾波器、微帶濾波器、交指型濾波器等等。無源LC電路不易集成，通常電源中整流后的濾波電路均采用無源電路，且在大電流負(fù)載時應(yīng)采用LC電路。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波(包括倒L型、LC濾波、LCπ型濾波和RCπ型濾波等)。有源濾波的主要形式是有源RC濾波，也被稱作電子濾波器。直流電中的脈動成分的大小用脈動系數(shù)來表示，此值越大，則濾波器的濾波效果越差。電容濾波一般負(fù)載電流較小，可以滿足td較大的條件，所以輸出電壓波形的放電段比較平緩，紋波較小，輸出脈動系數(shù)S小，輸出平均電壓UO(AV)大，具有較好的濾波特性RC-π型濾波電路，實質(zhì)上是在電容濾波的基礎(chǔ)上再加一級RC濾波電路組成的。圖2-1電阻R的作用是將殘余的紋波電壓降落在電阻兩端，最后由C2再旁路掉。在ω值一定的情況下，R愈大，C2愈大，則脈動系數(shù)愈小，也就是濾波效果就越好。而R值增大時，電阻上的直流壓降會增大，這樣就增大了直流電源的內(nèi)部損耗；若增大C2的電容量，又會增大電容器的體積和重量，實現(xiàn)起來也不現(xiàn)實。這種電路一般用于負(fù)載電流比較小的場合.并聯(lián)的電容器C在輸入電壓升高時，給電容器充電，可把部分能量存儲在電容器中。而當(dāng)輸入電壓降低時，電容兩端電壓以指數(shù)規(guī)律放電，就可以把存儲的能量釋放出來。經(jīng)過濾波電路向負(fù)載放電，負(fù)載上得到的輸出電壓就比較平滑，起到了平波作用。若采用電感濾波，當(dāng)輸入電壓增高時，與負(fù)載串聯(lián)的電感L中的電流增加，因此電感L將存儲部分磁場能量，當(dāng)電流減小時，又將能量釋放出來，使負(fù)載電流變得平滑，因此，電感L也有平波作用。利用儲能元件電感器L的電流不能突變的特點，在整流電路的負(fù)載回路中串聯(lián)一個電感，使輸出電流波形較為平滑。因為電感對直流的阻抗小，交流的阻抗大，因此能夠得到較好的濾波效果而直流損失小。2.6二端口網(wǎng)絡(luò)的意義在低頻應(yīng)用中，對于系統(tǒng)的測量我們經(jīng)常采用一些終端短路、開路的測量方法。但是對于射頻系統(tǒng)來說，則可能行不通，因為如果我們采用導(dǎo)線來實現(xiàn)短路情況，但是有時電感在高頻下的電感量會非常大，所以不適合測量。此外，高頻的情況下，開路也會在終端形成負(fù)載電容，所以也不適合。并且，當(dāng)我們在研究電波傳播的時候，此時的反射系數(shù)模若等于1，可能會造成器件因震蕩而引起的損壞。因此在高頻的時候，我們想找到一種合適的測量方法，這里我們引入了S參量，S參量在射頻微波電路中應(yīng)用廣泛，對于級聯(lián)的濾波器，我們也可以很輕松的求得級聯(lián)的網(wǎng)路S參數(shù)。并且利用S參數(shù)來研究二端口網(wǎng)絡(luò)，可以表示網(wǎng)絡(luò)的大部分參數(shù)特性。綜上所述，S參數(shù)所具有的優(yōu)點是非常值得我們?nèi)パ芯康?。下面我們將對S參數(shù)進(jìn)行簡單介紹2.6.1S參數(shù)的意義散射參量又叫S參量(S-parameter)[2]。在微波波段運用電壓和電流表示的各種參量在實際應(yīng)用中并不方便，首先缺少恒定的微波電壓源和微波電流源；其次不容易得到理想的短路或開路終端；在電路的實際應(yīng)用中，器件并不是處于短路或開路狀態(tài)，不連續(xù)的終端負(fù)載將導(dǎo)致有害的電壓、電流波反射，并產(chǎn)生可能造成器件損壞的振蕩。因此這些參量很難正確地測量。在微波技術(shù)中，不管電路形勢如何變化，我們可以設(shè)法使信號源輸出功率保持不變，找到匹配的終端負(fù)載。這樣根據(jù)參考面上歸一化的入射波電壓和歸一化的反射波電壓之間的關(guān)系導(dǎo)出的散射參量和傳輸參量就顯得更為方便。同時，利用S-parameter就可以在避開不現(xiàn)實的終端條件以及避免造成被測器件(DUT)損壞的條件下，用二端口網(wǎng)絡(luò)的分析方法確定幾乎所有微波器件的特征。二端口網(wǎng)絡(luò)及其S參量圖2-5描述了S-parameter定義原理。其中，和分別為端口1的歸一化入射電壓波和反射電壓波；和分別為端口2的歸一化入射電壓波和反射電壓波和分別是輸入、輸出參考面。用兩個參考面上的入射波電壓來表示兩個參考面上的反射波電壓的網(wǎng)絡(luò)方成為： (2-1) (2-2)或簡寫為。其中為散射矩陣，、、、為散射參量由此導(dǎo)出各個參量定義如下：，即當(dāng)端口2匹配時，端口1的反射系數(shù)；，即當(dāng)端口1匹配時，端口2的反射系數(shù)；，即當(dāng)端口1匹配時，端口2到端口1的傳輸系數(shù)；，即當(dāng)端口2匹配時，端口1到端口2的傳輸系數(shù)。S-parameter的物理意義是相應(yīng)端口接匹配負(fù)載的情況下所對應(yīng)的反射系數(shù)或傳輸系數(shù)。例如采用S-parameter測試座的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀就是輸入輸出端口為50歐姆匹配，輸入輸出兩套收發(fā)機系統(tǒng)，這樣就可以在被測器件(DUT)一次連接過程中得到所有4個S-parameter。在微波系統(tǒng)中，一般用對數(shù)形式來表示S-parameter的4個參量。2.6.2S參數(shù)的意義有在輸入端口和輸出端口匹配時才能測得S參量，下面我們根據(jù)圖2-6來介紹如何測量和。和的測試系統(tǒng)在圖2-6中采用適當(dāng)?shù)呢?fù)載阻抗，使2端口負(fù)載與傳輸線特性阻抗匹配。采用這種測試系統(tǒng)，根據(jù)反射系數(shù)的定義，我們可以得到： (2-3)此外，系統(tǒng)的回波損耗為： (2-4)然后，使輸出端口達(dá)到匹配，我們可得： (2-5)用信號源電壓，與信號源內(nèi)阻上的電壓降之差嶺替代可得： (2-7)由上面的式子知，是僅由輸出端口的電壓和系統(tǒng)的源電壓表示，所以同樣被用來表示網(wǎng)絡(luò)正向電壓增益。同樣，系統(tǒng)的正向功率增益可以由平方表示，如下式所示： (2-8)同理可知，若要測量散射參量和，我們只需要在輸出端口加信源并也是輸入端口達(dá)到匹配狀態(tài)，這樣我們就可以測得: (2-9) (2-10)用信號源電壓與信號源內(nèi)阻上的電壓降之差替代可得： (2-11)上式表示的就是反向電壓增益。將(2-6)式平方可得反向功率增益。 第3章設(shè)計的理論基礎(chǔ)設(shè)計的理論基礎(chǔ)3.1橢圓濾波器考爾在1931年提出了采樣有限零點設(shè)計的濾波器，能更好地逼近理想的高通濾波器的特性。由于這種方法在確定零點的位置時與橢圓函數(shù)的許多特性有關(guān)，所以稱之為橢圓高通濾波器。幅值響應(yīng)在通帶和阻帶內(nèi)都是等波紋的，對于給定的階數(shù)和給定的波紋要求，橢圓濾波器能獲得較其它濾波器為窄的過渡帶寬，就這點而言，橢圓濾波器是最優(yōu)的，其幅度函數(shù)為： (3-1)式中為波紋參數(shù)，而有理函數(shù)的表達(dá)式為：(1)當(dāng)n為奇數(shù)時，，則： (3-2)(2)當(dāng)n為偶數(shù)時，，則： (3-3)3.2橢圓濾波器的特點1、橢圓低通濾波器是一種零、極點型濾波器，它在有限頻率范圍內(nèi)存在傳輸零點和極點。2、橢圓低通濾波器的通帶和阻帶都具有等波紋特性，因此通帶，阻帶逼近特性良好。3、對于同樣的性能要求，它比前兩種濾波器所需用的階數(shù)都低，而且它的過渡帶比較窄4、橢圓濾波器的選擇性是最好的，但通帶和阻帶的等波紋特性幅頻特性，相位特性的非線性也稍嚴(yán)重。頻帶一般不寬，較多為20%左右。3.3低通濾波器低通濾波器有很多種：巴特沃斯型低通濾波器、切比雪夫型低通濾波器、逆切比雪夫型低通濾波器、橢圓函數(shù)型低通濾波器、貝塞爾型低通濾波器，下圖是它們的特性實例：切比雪夫型LPF巴特沃斯型LPF逆切比雪夫型LPF橢圓函數(shù)型LPF貝塞爾型LPF低通濾波器的特點是在通帶內(nèi)比較平坦；切比雪夫型低通濾波器的是通帶內(nèi)有等波紋的起伏；逆切比雪夫型低通濾波器的特點是阻帶內(nèi)有等波紋的起伏；橢圓函數(shù)型低通濾波器的特點是通帶內(nèi)和阻帶內(nèi)有等波紋的起伏；貝塞爾型低通濾波器的特點是衰減特性很差，它的阻帶衰減非常緩慢。3.4橢圓低通濾波器的設(shè)計理論橢圓函數(shù)低通原型濾波器的通帶和阻帶都具有切比雪夫低通原型濾波器的特點，它的阻帶衰減極點不全在無窮遠(yuǎn)處，因而這種濾波器的頻率選擇性很好。通常把（是通帶的帶邊頻率，是阻帶的帶邊頻率）看作選擇性因數(shù)。它的倒數(shù)是計算這種濾波器參數(shù)的橢圓函數(shù)的模數(shù)，這種橢圓函數(shù)的低通濾波器的阻帶最小衰減可近似表示為： (3-4) (3-5）要設(shè)計一個濾波器首先必須根據(jù)給定的通帶最大衰減A。或ρ(通帶邊界上的反射系數(shù))，阻帶最小衰減As，選擇性因子k確定所要求的階數(shù)N。在實際應(yīng)用中，一般都選擇fp為基準(zhǔn)頻率，在這種情況下，通帶上限頻率和阻帶下限頻率的歸一化值分別為： (3-6)選擇性因子k就是與橢圓函數(shù)濾波器有關(guān)的各橢圓函數(shù)的模數(shù)。在橢圓函數(shù)理論中，k=sinθ表示模數(shù)k，θ稱為模角。由于這4個參數(shù)的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，用解析法求解階數(shù)很困難，可用特制的圖表確定階數(shù)N。3.5設(shè)計計算(1)本文設(shè)計的橢圓低通函數(shù)濾波器：截止頻率為200MHz；通帶內(nèi)起伏量為0．5dB；阻帶截止頻率為400MHz，阻帶內(nèi)有兩個凹陷；特性阻抗：50Ω。因為在阻帶內(nèi)有兩個凹波點，所以這濾波器是5階的橢圓低通濾波器。 (3-7)(2)查找歸一化表帶內(nèi)起伏量為0.5dB時的元件值因為=2，所以阻帶頻率（倍）為2是歸一化元件值。（3）5階橢圓低通濾波器模型是：5階橢圓低通濾波器原型（3） 確定歸一化濾波器元件參數(shù)按照圖3.6中的表所提供的元件歸一化數(shù)值，對元件參數(shù)進(jìn)行如下變換。阻帶頻率倍數(shù)為2的所示的所有電容和電感的值除以M，得特性阻抗為1Ω，截止頻率為200MHz的元件參數(shù)：(4)已知歸一化特性阻抗為1Ω，設(shè)計的特性阻抗為50Ω，為此我們要求出待測濾波器的特性阻抗與基準(zhǔn)濾波器的特性阻抗的比值K。 (3-8)為了實現(xiàn)特性阻抗的變換，將中間結(jié)果的電感值分別乘以K，將中間結(jié)果的電容分別處以K，這樣就可以求得截止頻率為200MHz，特性阻抗為50Ω的5階橢圓低通濾波器的所有元件參數(shù)值：第4章ADS的仿真ADS的仿真4.1ADS軟件介紹在濾波器的設(shè)計中，隨著各種微波CAD軟件(如AdvancedDesignSystem)的發(fā)展，微波CAD軟件可以根據(jù)提出的指標(biāo)和要求進(jìn)行計算、設(shè)計和優(yōu)化。本文就是利用Agilent公司的微波CAD軟件ADS(AdvancedDesignSystem)來設(shè)計一個帶通濾波器。下面就對ADS軟件做簡單的介紹以及分析平行耦合微帶帶通濾波器的分析過程。ADS先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)(AdvancedDesignSystem)，簡稱ADS[12]，是安捷倫科技有限公司(Agilent)為適應(yīng)競爭形勢，為了高效的進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)，而設(shè)計開發(fā)的一款EDA軟件。軟件迅速成為工業(yè)設(shè)計領(lǐng)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(zhǔn)確的仿真能力（尤其在射頻微波領(lǐng)域），而得到了廣大IC設(shè)計工作者的支持。ADS是高頻設(shè)計的工業(yè)領(lǐng)袖。它支持系統(tǒng)和射頻設(shè)計師開發(fā)所有類型的射頻設(shè)計，從簡單到最復(fù)雜，從射頻微波模塊到用于通信和航空航天、國防的MMIC通過從頻域和時域電路仿真到電磁場仿真的全套仿真技術(shù)，ADS讓設(shè)計師全面表征和優(yōu)化設(shè)計。單一的集成設(shè)計環(huán)境提供系統(tǒng)和電路仿真器，以及電路圖捕獲、布局和驗證能力，因此不需要在設(shè)計中停下來更換設(shè)計工具。ADS電子設(shè)計自動化功能十分強大，包含時域電路仿真(SPICE-likeSimulation)、頻域電路仿真(HarmonicBalance、LinearAnalysis)、三維電磁仿真(EMSimulation)、通信系統(tǒng)仿真(CommunicationSystemSimulation)、數(shù)字信號處理仿真設(shè)計（DSP）；ADS支持射頻和系統(tǒng)設(shè)計工程師開發(fā)所有類型的RF設(shè)計，從簡單到復(fù)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(dāng)今國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的微波/射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件軟件。4.2設(shè)計目標(biāo)本文設(shè)計的橢圓低通函數(shù)濾波器：截止頻率為200MHz；通帶內(nèi)起伏量為0．5dB；阻帶截止頻率為400MHz，阻帶內(nèi)有兩個凹陷；特性阻抗：50Ω。4.3ADS仿真4.3.1運行ADSADS運行界面2、建立工程建立工程3、點擊圖4.2中【OK】后會彈出一個如圖4.3的窗口原理圖窗口4、點擊圖4.3中【designguide】后會彈出一選項框。點擊【filter】后會彈出一個如圖4.4的窗口，濾波器選擇對話框5、選擇【filtercontrolwindow】，會彈出4.5界面濾波器設(shè)計向?qū)?、在“FilterDesignGuide”窗口中單擊工具欄中的“ComponentPlalette-All”按鈕，在剛建立的圖4.3原理圖中將出現(xiàn)一個新的元器件面板“FolterDG-All”,如圖4.6所示。這個元器件面板列出了濾波器設(shè)計向?qū)е械母鞣N濾波器模型?！癋ilterDG-All”元器件面板7、在“FilterDG-All”元器件面板中選擇一個雙端扣帶通濾波器模型（Band-passfi6.在“FilterDG-All”元器件面板中選擇一個雙端扣帶通濾波器模型（Band-passfilterDT），這時系統(tǒng)將彈出一個提示窗口，點下【OK】鍵按鈕，并將選擇的雙端口帶通濾波器添加到剛開始的原理圖中。按下【Esc】鍵結(jié)束命令。8、重新回到濾波器向?qū)Т翱谥小Ｔ凇維martComponent】下拉框中，選中剛剛插入原理圖的帶通濾波器【DA_LCBandpassDT1】。然后選擇【FilterAssistant】,可以看見濾波器設(shè)計窗口中出現(xiàn)了一個帶有濾波器參數(shù)設(shè)置和濾波器幅頻曲線的參數(shù)設(shè)置窗口，根據(jù)前面提到的截至頻率400MHz、中心頻率200MHz,通帶內(nèi)起伏量為0．5dB，輸入?！癋ilterAssistant”選項卡中的內(nèi)容9、再點擊圖4.7中【SimulationAssistant】選項，相應(yīng)地改變【Start】,【Stop】，【Step】【Num.ofpoints】數(shù)據(jù)后，在點擊圖4.7中的【Redraw】→【Design】。然后再回到變換后的窗口，點擊窗口中的，然后系統(tǒng)自然生成如下電路圖，如圖濾波器元器件的子電路10、接下來點擊中【Insert】→【Template】會彈出如圖4.8的窗口，選擇其中的【S_Params】→【OK】,則系統(tǒng)生成一個如圖4,9的電源生成電源點擊，系統(tǒng)會彈出如下窗口。相應(yīng)地改變窗口下的【Start】,【Stop】,【Step-size】,【Num.ofpts.】數(shù)據(jù)，再點擊【Apply】→【OK】。再去調(diào)換下面的電源去調(diào)換原電路圖兩邊的元器件。11、然后點擊原理圖窗口上方工具欄中的，則可得到如圖4-11所示的仿真圖。生成的橢圓低通濾波器的響應(yīng)曲線12、根據(jù)要求將相應(yīng)的要將圓形仿真圖轉(zhuǎn)變成如圖4.11中的第2，3幅類型圖，因此，先刪去圖中的圓形仿真圖，再點擊圖中，系統(tǒng)會生成如圖4.12所示的窗口，選擇其中的【S(1，1)】,【S(2，2)】,則可最終生成本次需要的所有仿真圖圖S（1,1），S(1,2)，S(2,1)，S（2,2）把S（1,1），S(1,2)，S(2,1)，S（2,2）放在一張圖中。生成的橢圓低通濾波器的響應(yīng)曲線第5章總結(jié)總結(jié)通過本次對橢圓低通濾波器的設(shè)計，加強理論知識與動手能力，了解了濾波器的悠久歷史，也知道行業(yè)中濾波器的重要作用，以及諸多前輩在這塊領(lǐng)域里辛勤探索與奉獻(xiàn)。雖然在課堂上學(xué)到了許多理論知識，也學(xué)會使用了ADS，但是自己的實際操作能力不夠強，知識不夠全面，只有通過查閱資料。在查閱資料的過程中，確實學(xué)到很多知識，也對帶阻濾波器的原理以及ADS的仿真過程有了更深的了解。在設(shè)計過程中遇到不少問題，但在我們組員和鐘淑榮老師的幫助，我們完成了論文，由于水平有限，文中難免有些錯誤和不足之處，懇請各位老師批評指正。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]謝自美.電子電路設(shè)計、實驗、測試.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000-7.[2]朱明等.微波電路.北京：國防科技大學(xué)出版社，1994.[3]王蘊儀等.微波器件與電路.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1986.[4]鄭冬等.基于ADS的平行耦合帶通濾波器的設(shè)計.電子產(chǎn)品世界，2010，57—60．[5]徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計與仿真實例.北京：電子工業(yè)出版社，2011-7.[6]森榮二[日].LC濾波器設(shè)計與制作.北京：科學(xué)出版社，2006.3-4.致謝翻譯文稿致謝本文是在鐘淑蓉老師的精心指導(dǎo)下完成的。從課程設(shè)計的開題到最終完成，他都給予了極大的關(guān)懷和幫助，并提出了寶貴的意見。值此論文完成之際，我以誠摯的心情向他表示衷心的感謝。在設(shè)計過程中遇到不少問題，但在我們組員的共同努力下找到解決辦法，共同進(jìn)步。感謝我身邊一直支持和幫助我的朋友們。在他們的支持、鼓勵和幫助下，我度過了非?？鞓?、幸福、充實的大學(xué)生活，讓我收獲不少。感謝電子科技大學(xué)成都學(xué)院提供了很好的學(xué)習(xí)和生活條件。再次感謝所以關(guān)心、幫助過我的老師、朋友和親人，謝謝你們?yōu)槲易龅囊磺小；贑8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構(gòu)建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機應(yīng)用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設(shè)計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設(shè)計基于單片機船舶電力推進(jìn)電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機的疊圖機研究與教學(xué)方法實踐基于單片機嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實驗中的應(yīng)用研究基于單片機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設(shè)計與研究基于單片機的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機與Internet互聯(lián)的研究與實現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機控制器的研究