基于ADS微帶短截線低通濾波器設(shè)計(jì)說明

./ADS微帶短截線低通濾波器設(shè)計(jì)摘要線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展,人們對(duì)個(gè)人無線通信需求不斷增加,加速全球信息時(shí)代的到來成為首要任務(wù)。在現(xiàn)代生活中主要分為無線通信和有線通信。射頻和微波的廣泛使用,使有線通信得到廣泛關(guān)注。微波無源器件的不斷發(fā)展也使通信技術(shù)不斷進(jìn)步,而微帶濾波器是微波電路中主要器件,在微波電路中要使用濾波器濾出不用頻譜,選擇合適通信道路,對(duì)電路性能有很大影響。因此設(shè)計(jì)合適的濾波器成為設(shè)計(jì)師考慮的主要問題。由于微帶電路具有小體積,頻率寬,易于集成和優(yōu)化等特點(diǎn),成為設(shè)計(jì)師在做微波濾波器的首選。濾波的主要作用是保證讓頻帶內(nèi)的信號(hào)通過,抑制頻帶外的信號(hào)。由于低通濾波器結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)計(jì)容易成為設(shè)計(jì)濾波器的基礎(chǔ)。微波電路中,低通濾波器用在系統(tǒng)前端,使后端電路不受損壞,其陡峭衰減和寬阻帶等高性能成為現(xiàn)今濾波器研究熱點(diǎn)。本文從微波濾波器在實(shí)際電路應(yīng)用出發(fā),詳細(xì)介紹高性能低通濾波器設(shè)計(jì)理論。通過大量國內(nèi)外文獻(xiàn)閱讀,分析,總結(jié)出微帶濾波器的發(fā)展,性能優(yōu)化等方法。并在文中詳細(xì)介紹使用ADS設(shè)計(jì)基于理查德變換和科洛達(dá)規(guī)則理論的微帶短截線低通濾波器。關(guān)鍵詞：微帶低通濾波器,ADS,寬阻帶,無線通信MicrostripStubLowpassFilterDesignBasedOnADSAbstractWiththerapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnology,thedemandforpersonalwirelesscommunicationscontinuestoincreaseandacceleratetheadventoftheglobalinformationagehasbecomeatoppriority.Inmodernlifeisdividedintowirelessandwiredcommunications.WidespreaduseofRFandmicrowave,sowiredcommunicationreceivedextensiveattention.Thecontinuousdevelopmentofmicrowavepassivecomponentsalsomakescommunicationtechnologycontinuestoprogress,andmicrostripfilterisamicrowavecircuitmaincomponentsinmicrowavecircuitsusingafiltertofilteroutwithoutspectrum,selecttheappropriatecommunicationpath,thecircuitperformanceisgreatlyinfluences.Therefore,thedesignofsuitablefilterdesignerconsideredamajorproblem.Sincethemicrostripcircuithavingasmallsize,widefrequencyrange,easeofintegrationandoptimizationfeatures,adesignerdoingmicrowavefilterofchoice.Themainroleistoensurethatthesignalfilteringbyband,bandsignalsuppression.Duetothesimplelow-passfilterstructure,designiseasytobecomethebasisofthedesignofthefilter.Microwavecircuits,thelow-passfilterisusedinfrontofthesystem,sothattherearendofthecircuitfromdamage,itssteepattenuationandwidestopbandotherhigh-performancefilterbecomeshottopicnowadays.Thisarticlefromthemicrowavefilter,inactualcircuitapplicationsdeparture,detailsofhigh-performancelow-passfilterdesigntheory.Throughalotofliteraturetoread,analyze,summarizethedevelopmentandperformanceoptimizationofmicrostripfiltermethod.AnddiscussedindetailbasedontheuseofADSandtransformruletheoryofKurodaandRichardstodesignstubslowpassfilter.KeywordsMicrostriplow-passfilter,ADS,broadstopband,wirelesscommunication目錄摘要······························ⅠABSTRACT····························Ⅱ目錄·····························Ⅲ緒論···························11.1課題研究背景···························11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀···························2第二章微帶濾波器設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)···························32.1濾波器的分類與類型···························32.2濾波器的主要參數(shù)···························62.3低通濾波器歸一化原形···························7第三章分布參數(shù)設(shè)計(jì)濾波器原理···························103.1高低阻抗傳輸線等效原理···························103.2理查德變換和科洛達(dá)規(guī)則···························11第四章基于ADS微帶短截線低通濾波器設(shè)計(jì)··················134.1ADS中的設(shè)計(jì)與仿真···························134.2結(jié)果參數(shù)分析···························17第五章總結(jié)與展望···························18參考文獻(xiàn)···························19第一章緒論1.1課題研究背景伴隨著科技的快速發(fā)展,人們通信手段的不斷增強(qiáng),社會(huì)逐步進(jìn)入信息化時(shí)代。通信領(lǐng)域經(jīng)歷了從有線到無線的快速發(fā)展。人們聯(lián)系方式也從固話發(fā)展到移動(dòng),無線上網(wǎng)Wi-Fi在全國各地公共服務(wù)不斷普與。通信鄰域的信息傳播也從低頻向高頻發(fā)展。在社會(huì)強(qiáng)大的需求下和科研人員技術(shù)不斷支持和發(fā)展情況下,能夠滿足現(xiàn)在不斷變化的射頻〔RF〕和微波〔MW〕電路得到人們的廣泛關(guān)注,在各個(gè)高校和研究機(jī)構(gòu)都開展了各種研究,并取到不少成績。人們通信需求的不斷增大只有使用更高的載波頻率才能獲得更寬的頻帶?，F(xiàn)在廣泛使用的移動(dòng)通信〔GSM和3G,4G〕、無線網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別領(lǐng)域,無人飛機(jī)遙控等民用和軍用領(lǐng)域都達(dá)到GHZ頻段。使得人們對(duì)適用此頻段的射頻和微波電路獲得更大的關(guān)注,而此領(lǐng)域的射頻和微波電路設(shè)計(jì)方法也在不斷的發(fā)展創(chuàng)新。在當(dāng)今無線通信領(lǐng)域應(yīng)用最多的是射頻系統(tǒng),射頻無線通信系統(tǒng)的主要功能模塊包括射頻濾波器、射頻放大器、射頻震蕩器與混頻器組成,這些模塊具有相似的結(jié)構(gòu)。無線通信系統(tǒng)接收和發(fā)送的射頻信號(hào)是模擬信號(hào),這個(gè)射頻模擬信號(hào)需要用濾波器濾出雜散信號(hào)和放大器放大有用信號(hào),濾波的作用是保證只能讓頻帶內(nèi)的信號(hào)通過,抑制頻帶外的噪聲,放大器的目的是提高發(fā)射器發(fā)射信號(hào)或放大所接收到的微弱有用信號(hào),所以濾波器在信號(hào)的發(fā)射與接收過程中起著關(guān)鍵的必不可少的作用,是不可或缺器件,其性能的好壞直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量好壞。由于通信技術(shù)的高速發(fā)展,對(duì)電路的集成化程度、穩(wěn)定性、可靠性以與體積的大小等要求越來越高。隨著新型半導(dǎo)體器件工作頻率達(dá)到微波波段,而通信系統(tǒng)前端的電路模擬在現(xiàn)在技術(shù)下還不能進(jìn)行高度集成化,所以這些微波無源器件的小型化和高度集成化仍是現(xiàn)在社會(huì)面臨的技術(shù)難題。所以在微波濾波器設(shè)計(jì)中也面臨這樣的難題,許多工程技術(shù)人員在解決這個(gè)問題。傳統(tǒng)的方法做出的器件尺寸[1]很大,無法集成。研發(fā)周期也很長無法滿足現(xiàn)代通信設(shè)備更新?lián)Q代要求,而微帶濾波器所具有的體積小,寬頻帶,質(zhì)量輕,易于集成等優(yōu)點(diǎn)得到設(shè)計(jì)師的廣泛關(guān)注。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展,國內(nèi)國外研究者逐漸從新型材料和新型結(jié)構(gòu)兩方面開始設(shè)計(jì)和研制新型濾波器。微帶低通濾波器具有尺寸小,易于加工,易于集成等優(yōu)點(diǎn)在射頻和微波頻段得到廣泛應(yīng)用。改變介質(zhì)基片,微帶低通濾波器也能擴(kuò)寬適用頻率X圍。任何微波濾波器都能以低通為原型進(jìn)行構(gòu)建。由于微帶線自身獨(dú)特的性質(zhì)使微帶濾波器設(shè)計(jì)靈活[2-4],在新技術(shù)的應(yīng)用中并向高性能發(fā)展。微帶濾波器在使用集總參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)在電容和電感會(huì)在微波波段產(chǎn)生寄生效應(yīng),使濾波器的濾波性能造成極大的惡化,因此在高頻段要使用分布參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),要用終端開路的微帶傳輸線代替并聯(lián)電容,而在微帶電路中串聯(lián)短路的微帶傳輸線不容易實(shí)現(xiàn)因此要進(jìn)行不同的變換,將電路轉(zhuǎn)化為比較容易實(shí)現(xiàn)的形式。而近年來工程設(shè)計(jì)人員主要基于新結(jié)構(gòu)和新材料的應(yīng)用來提高器件的性能和集成度,尤其是將人工材料用于低通濾波器的設(shè)計(jì)中在國內(nèi)外有很多研究者進(jìn)行研究[5-8].他們將左手材料和復(fù)合左右手材料用于濾波器設(shè)計(jì)中,這些材料具有負(fù)的介電常數(shù),低損耗和寬頻帶特性,在濾波器設(shè)計(jì)中運(yùn)用這些材料或左手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都能提高濾波器的特性。另一種設(shè)計(jì)是基于缺陷地結(jié)構(gòu)〔DGS〕,同樣能夠得到高性能和緊湊型濾波器,但是這些基于新型結(jié)構(gòu)濾波器,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)計(jì)方法比較麻煩,對(duì)工程人員要求比較高。在濾波器設(shè)計(jì)中,先進(jìn)的商業(yè)軟件ADS為濾波器設(shè)計(jì)提供了很大的幫助,使設(shè)計(jì)周期大為縮短,基于ADS濾波器設(shè)計(jì)也有很多研究[9-13]。本文提出了一種基于ADS設(shè)計(jì)的微帶短截線低通濾波器的原理和方法。首先利用ADS軟件設(shè)計(jì)出集總參數(shù)電路原理圖,然后利用理查德變換將集總元件換成短截線,并增加單位元件利用科洛達(dá)規(guī)則將串聯(lián)短截線轉(zhuǎn)換為并聯(lián)短截線設(shè)計(jì)濾波器。第二章低通濾波器設(shè)計(jì)理論2.1濾波器的分類與類型在電路系統(tǒng)中濾波器作為處理信號(hào)的基本組件,主要是把不同頻率信號(hào)進(jìn)行分離,使電路能夠獲得正常工作。衡量濾波器性能的主要指標(biāo)是通過以下幾方面,頻率X圍,帶內(nèi)波紋,插損,阻帶抑制等參數(shù)。因此,濾波器按不同的方法分類有很多種。對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理可以分為模擬和數(shù)字濾波器,按照濾波器的用途可以分為低通濾波器,高通濾波器,帶通濾波器,帶阻濾波器[14]按照材料和制作方法可以將濾波器分為波導(dǎo)濾波器,同軸線濾波器,帶狀線濾波器,微帶濾波器。在工作頻率上可分為窄帶和寬帶濾波器,通過頻響特性可分為最平坦式和等波紋式與其他形式[15]。圖2-1濾波器分類圖在電路設(shè)計(jì)中,我們主要涉與模擬濾波器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,通常用無源元件來設(shè)計(jì),在頻率很低時(shí),我們可以用電容和電感集總參數(shù)來表示濾波器的等效電路。它的基本原理是電容和電感的諧振,是利用兩元器件的電抗隨頻率的變化而變化構(gòu)成的,是能量在兩者之間沒有損耗的相互轉(zhuǎn)化,最終傳至輸出端口。將噪聲通過無耗電抗原件反射回信號(hào)線,運(yùn)用有損耗原件構(gòu)成的濾波器將不需要的頻率濾除。當(dāng)信號(hào)頻率升高到一定程度后,信號(hào)波長和濾波器的尺寸相比擬,這時(shí)設(shè)計(jì)方法就和低頻段不同,不能使用集總參數(shù)模型等效,要考慮使用分布參數(shù)模型對(duì)工作電路進(jìn)行分析。在眾多濾波器中微帶濾波器以其高性能,設(shè)計(jì)周期短,小尺寸,易于同其他元器件集成和加工得到廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步,高性能基板材料逐步開發(fā)并在微帶濾波器上應(yīng)用,是的微帶濾波器頻率應(yīng)用X圍進(jìn)一步加寬。以下是四種理想濾波器的幅頻特性：圖2-2四種理想濾波器圖2-2中〔a〕是低通濾波器,從圖中的幅頻特性可以看出當(dāng)信號(hào)頻率低于截止頻率時(shí),信號(hào)可以無損耗的通過,隨著頻率的升高當(dāng)超過截止頻率時(shí),信號(hào)的衰減區(qū)域無窮大。圖〔b〕是高通濾波器,它的幅頻特性與低通濾波器不同,在工作頻帶允許高頻信號(hào)無耗通過,當(dāng)信號(hào)頻率低于截止頻率時(shí),信號(hào)將急劇衰減。圖〔c〕是帶通濾波器,它允許中心頻率兩側(cè)信號(hào)無耗通過,使其他頻率X圍內(nèi)信號(hào)衰減為無窮大。圖〔d〕是理想帶阻濾波器,阻止中心頻率兩側(cè)上截止頻率和下截止頻率之間的信號(hào),允許頻帶外的信號(hào)無損耗的通過濾波器。根據(jù)頻響可以將濾波器分為通帶內(nèi)最大平坦,通帶內(nèi)有等幅波紋起伏,通帶和阻帶內(nèi)都有等幅波紋起伏和通帶內(nèi)有線性相位等響應(yīng),于此相對(duì)應(yīng)的濾波器是巴特沃斯濾波器,切比雪夫?yàn)V波器,橢圓函數(shù)濾波器和線性相位濾波器等。〔a〕低通濾波器的最平坦響應(yīng)〔b〕切比雪夫低通濾波器響應(yīng)〔c〕橢圓函數(shù)低通濾波器的響應(yīng)圖2-3三種濾波器的頻響特性如圖所示〔a〕所示在通帶內(nèi)沒有任何波紋,既插入損耗隨頻率變化最平坦,具有單調(diào)衰減的一類濾波器,稱為最大平坦濾波器或者巴特沃斯濾波器,頻響特性是在時(shí)是低通濾波器的通帶,當(dāng)時(shí)為低通濾波器的阻帶,時(shí)為阻帶和通帶的分界點(diǎn),此處插損要給出指標(biāo)值。在通帶內(nèi)巴特沃斯濾波器沒有任何波紋,在阻帶內(nèi)衰減隨頻率急劇增加。圖〔b〕給出的是切比雪夫?yàn)V波器,從圖中可以看出,在通帶內(nèi)有等波紋的響應(yīng),所以也稱等波紋濾波器。他的頻響特性是時(shí)是低通濾波器的通帶,可以看到波紋的幅值是相等的在通帶內(nèi)。用dB表示波紋高度。當(dāng)時(shí)為低通濾波器的阻帶,在阻帶內(nèi)衰減是單調(diào)遞增的。時(shí)為阻帶和通帶的分界點(diǎn),此處插損要給出指標(biāo)值。橢圓函數(shù)濾波器不同于巴特沃斯和切比雪夫?yàn)V波器在阻帶內(nèi)有單調(diào)上升衰減,為了獲得截止陡度,從而設(shè)定了一個(gè)最小的阻帶衰減。從圖〔c〕中可以看到阻帶和通帶內(nèi)有等波紋響應(yīng)。巴特沃斯濾波電路,切比雪夫?yàn)V波電路和橢圓濾波電路的特性對(duì)比如下表所示表2-1濾波電路特性比較巴特沃斯濾波器切比雪夫?yàn)V波電路橢圓濾波電路參數(shù)來源二項(xiàng)式切比雪夫多項(xiàng)式橢圓函數(shù)帶外衰減可達(dá)無窮大可達(dá)無窮大有限值波紋無通帶內(nèi)通帶內(nèi)和通帶外電路復(fù)雜性適中適中復(fù)雜特征最大平滑等波紋最陡峭2.2濾波器的主要參數(shù)一個(gè)濾波器的性能好壞,是由他的只要參數(shù)所決定的,因此了解濾波器的參數(shù)對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)越的濾波器來說至關(guān)重要。通常主要參數(shù)包括：插入損耗,通帶寬度,波紋系數(shù),矩形系數(shù),品質(zhì)因數(shù)和阻帶抑制。下面我們來看下濾波器的主要參數(shù)。插入損耗：對(duì)一個(gè)理想濾波器來說,濾波器網(wǎng)絡(luò)是由沒有損耗的元器件〔電感,電容,傳輸線〕組成,通帶內(nèi)對(duì)傳輸信號(hào)是無損耗的,因此定義為從信號(hào)源入射到濾波電路的功率與到達(dá)負(fù)載的功率的比值,采用分貝表示為〔2-1〕在實(shí)際電路中,插損是由于濾波器傳輸信號(hào)輸入端口的阻抗不匹配造成的。如果用表示濾波電路輸入端口的電壓發(fā)射系數(shù),則插損可以表示為〔2-2〕通帶寬度：定義為在通帶內(nèi)為3dB衰減對(duì)應(yīng)的上邊頻截止頻率和下變頻截止頻率的差值,通?？梢杂帽硎緸V波器通帶帶寬。單位頻率是赫茲。圖2-4帶寬波紋系數(shù)：通常用來描述濾波電路通帶內(nèi)的平坦度,用分貝作單位。波紋系數(shù)表示在通帶內(nèi)電路響應(yīng)的最大值和最小值之差。在切比雪夫電路中可以通過設(shè)置波紋系數(shù)來調(diào)控設(shè)計(jì)電路,如該濾波電路為通帶內(nèi)最小衰減0dB,最大衰減為3dB,則該電路的波紋系數(shù)為3dB。矩形系數(shù)：通常用60dB帶寬和3dB帶寬的比值來定義矩形系數(shù)SF。描述濾波器在截止頻率附近陡峭變化的頻響特性。比值越接近1,濾波器性能越好?？梢员硎緸椋骸?-3〕品質(zhì)因數(shù)：濾波器在諧振頻率下,平均儲(chǔ)能和一個(gè)周期內(nèi)的平均能量消耗之比,品質(zhì)因數(shù)Q可用如下公式表示：〔2-4〕其中為一個(gè)周期內(nèi)的平均儲(chǔ)能,為單位時(shí)間內(nèi)平均儲(chǔ)能,為諧振頻率。通常在討論濾波器電路時(shí)需要考慮和區(qū)分加載品質(zhì)因數(shù)和空載品質(zhì)因數(shù)。阻帶抑制：用阻帶抑制來衡量一個(gè)濾波器選擇性能的好壞。一般在理想狀態(tài)下希望濾波電路通帶外的衰減能夠達(dá)到無窮大,但實(shí)際中只能使衰減值達(dá)到有限值。所以定義了阻帶衰減參數(shù),超過這值就認(rèn)為衰減達(dá)到足夠大,通常定義為60dB。如下圖所示帶通濾波電路響應(yīng)都可以表示上面的主要參數(shù)。圖2-5帶通濾波器電路的典型響應(yīng)2.3低通濾波器設(shè)計(jì)歸一化原型在工程設(shè)計(jì)中,低通,帶通,高通濾波器通常是由有限個(gè)元器件組成的電抗網(wǎng)絡(luò),而這些濾波器的特性網(wǎng)絡(luò)是十分復(fù)雜的。為了得到某個(gè)頻率發(fā)生突變產(chǎn)生所要的濾波電路,要使平滑曲線在某個(gè)頻率點(diǎn)發(fā)生變化,而實(shí)際中所用的函數(shù)為連續(xù)函數(shù),在截止頻率不可能發(fā)生突然變化[16-17]在實(shí)際設(shè)計(jì)中工程人員通過靠近理想理想濾波器的頻響特性曲線進(jìn)行制作。通常采用最大平滑巴特沃斯濾波器,等波紋切比雪夫?yàn)V波器,橢圓函數(shù)濾波器來實(shí)現(xiàn)所要濾波功能。如下圖所示一般歸一化低通濾波器可通過以下電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中巴特沃斯和切比雪夫?yàn)V波器都是通過這兩種電路結(jié)構(gòu)構(gòu)成?！瞐〕〔b〕圖2-6標(biāo)出歸一化元件值的兩種多節(jié)低通濾波器等效電路圖2-6中兩種電路結(jié)構(gòu)相互對(duì)稱,其頻響特性相同,都可以成為制作低通濾波器的基本形式。各個(gè)元件值g有如下方式確定：m=<1,···,N>歸一化的目的是為了提高設(shè)計(jì)的通用性。通常要將低通原型中元件值進(jìn)行歸一化,對(duì)頻率進(jìn)行歸一化處理。其中=1,=1。我們可以用公式表示元器件歸一化情況對(duì)于電阻和電感：<2-5>電感表示為：<2-6>電容表示為：<2-7>其中R,C,L表示電路實(shí)際元件值,而R’,C’,L’表示一歸一化的原件值。第三章分布參數(shù)設(shè)計(jì)濾波器原理3.1高低阻抗傳輸線等效原理如下圖所示終端有載傳輸線ZL,其最終傳輸線的輸入阻抗和導(dǎo)納可寫為[18]圖3-1終端接負(fù)載傳輸線〔3-1〕〔3-2〕我們可以定義為從傳輸線輸入端口看進(jìn)去,當(dāng)這段傳輸線的阻抗很高時(shí),而且負(fù)載的阻抗較低時(shí)我們可以將這段傳輸線等效為串聯(lián)電感。其滿足關(guān)系為：當(dāng)Z0>>ZL,L<時(shí),<3-3>由,〔L0表示一段長為1的傳輸線電感,C0表示電感〕上式可表示為〔3-4〕同理可得,當(dāng)Z0<<ZL,L>時(shí)<3-5>由此可以看出從傳輸線輸入端口看進(jìn)去,當(dāng)這段傳輸線的阻抗很低時(shí),而且負(fù)載的阻抗較高時(shí)我們可以將這段傳輸線等效為并聯(lián)電容?！瞐〕串聯(lián)電感〔b〕并聯(lián)電容圖3-2高低阻抗傳輸線等效示意圖由此可以得出串聯(lián)電感可以用一段阻抗很高的傳輸線代替,并聯(lián)電容可以替換為一段阻抗很低的傳輸線。3.2Richard變換和Kuroda規(guī)則隨著濾波電路工作頻率的提高,當(dāng)工作頻率達(dá)到射頻時(shí)集總元件構(gòu)成的濾波電路,由于元件產(chǎn)生的寄生參數(shù)影響,濾波電路性能遭到嚴(yán)重破壞,已經(jīng)不能達(dá)到濾波效果。此時(shí)需要使用基于分布參數(shù)構(gòu)建的濾波電路。分布參數(shù)濾波電路也是在集總參數(shù)濾波電路的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。就是將集總參數(shù)元件用恰當(dāng)?shù)姆植紖?shù)替換達(dá)到工作效果。因此,Richards提出了一種獨(dú)特的變換方法實(shí)現(xiàn)電路從集總元件到分布參數(shù)的變換。就是將一段開路或短路傳輸線用分布的電感或電容元件替代。當(dāng)一段傳輸線的特性阻抗為Z0,終端短路的傳輸線具有純電抗特性,其輸入阻抗Zin可表示為〔3-6〕電長度可以用下面的關(guān)系式來表示他與頻率的關(guān)系,例如當(dāng)長度為的傳輸線,相應(yīng)的工作頻率為,則電長度為〔3-7〕其中為傳播常數(shù),為相速度,為歸一化頻率。將式〔15〕帶入〔14〕可得基于頻率變化的傳輸線電感特性與集總元件之間的關(guān)系：〔3-8〕其中,是由Richard變換而來。同時(shí)電容特性集總參數(shù)元件的功能可有一段開路傳輸線來完成,如下式所示：〔3-9〕Richard變換可由下圖來表示：圖3-3Richards變換原理Kuroda規(guī)則就是用單位元件進(jìn)行電路變換規(guī)則。使用終端短路或者開路傳輸線來進(jìn)行替換,是濾波電路更容易實(shí)現(xiàn)濾波效果。如下圖所示為四個(gè)恒等關(guān)系：〔a〕〔b〕〔c〕〔d〕圖3-4Kuroda規(guī)則的四種電路變換形式Kuroda規(guī)則的四種電路變換形式,將串并聯(lián)傳輸線直接轉(zhuǎn)換,把無法實(shí)現(xiàn)的特征阻抗值轉(zhuǎn)換成可實(shí)現(xiàn)的。此方法使濾波電路設(shè)計(jì)變得更加靈活多樣。第四章基于ADS的設(shè)計(jì)和仿真4.1ADS中的設(shè)計(jì)與仿真使用ADS能夠方便快捷的設(shè)計(jì)濾波器,減少工程人員的工作量,使設(shè)計(jì)周期縮短。本文主要講述使用ADS軟件設(shè)計(jì)濾波器先把集總參數(shù)濾波器設(shè)計(jì)出,然后轉(zhuǎn)化為微帶濾波器。本文詳細(xì)講述使用理查德變換和科洛達(dá)規(guī)則實(shí)現(xiàn)低通濾波器的過程。下面以微帶短截線低通濾波器為例詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)指標(biāo)為：濾波器響應(yīng)為低通濾波器,通帶頻率X圍為0GHZ~4GHZ,通帶內(nèi)衰減小于3dB,在6GHZ時(shí)衰減大于25dB,系統(tǒng)特性阻抗為50歐姆。設(shè)計(jì)步驟如下：〔1〕啟動(dòng)ADS軟件,創(chuàng)建原理圖,在執(zhí)行菜單中選[DesignGuide][Filter]。選擇"FilterControlWindow"點(diǎn)擊OK,如下濾波器設(shè)計(jì)窗口。〔2〕單擊工具欄中圖標(biāo),得濾波器的耕種模型,在"FilterDG-All"元件面板中選擇低通濾波器模型〔low-passfilterDT〕放入原理圖中。圖4-1"FilterDG-All"元件面板〔3〕重新回到開始的設(shè)計(jì)向?qū)е?并打開"FilterAssistant"標(biāo)簽。可以看到如下帶有濾波器參數(shù)設(shè)置和幅頻設(shè)置窗口。圖4-2濾波器參數(shù)設(shè)置〔4〕在濾波器設(shè)計(jì)向?qū)е休斎朐O(shè)計(jì)參數(shù)后點(diǎn)擊"Redraw",所有參數(shù)輸入后點(diǎn)擊"Design"。系統(tǒng)給出一個(gè)滿足要求的集總參數(shù)濾波器。圖4-3濾波器電路原理圖〔5〕為了設(shè)計(jì)滿足要求的濾波器需要使用分布參數(shù)設(shè)計(jì)濾波電路[19-20]單擊濾波器設(shè)計(jì)向?qū)е袌D案,打開轉(zhuǎn)換助手對(duì)話框,如下圖：圖4-4轉(zhuǎn)換助手對(duì)話框〔6〕選擇"LCtoTline"選項(xiàng),單擊集總參數(shù)電感和電容,變?yōu)榻K端短路傳輸線和終端開路傳輸線。如圖〔a〕〔b〕圖4-5電感電容轉(zhuǎn)換電路〔7〕經(jīng)過變換最后得到如下電路圖。圖4-6LC轉(zhuǎn)換為短截線構(gòu)成的電路圖〔8〕接著進(jìn)行Kuroda轉(zhuǎn)換,單擊"TLinetoTLine"需要在端口和負(fù)載出添加單位元件。點(diǎn)擊"BeforeNetwork"和"AfterNetwork"。圖4-7加入單位元件后原理圖〔9〕在濾波器轉(zhuǎn)化助手對(duì)話框中選擇如下結(jié)構(gòu)完成轉(zhuǎn)換圖4-8科洛達(dá)變換轉(zhuǎn)換后的結(jié)構(gòu)為：圖4-9運(yùn)用科洛達(dá)變換后結(jié)構(gòu)圖〔10〕最后點(diǎn)擊"LC,TLinetoMicrostrip"設(shè)置基板厚度和基板相對(duì)介電常數(shù)。點(diǎn)擊"Transform"將短截線變?yōu)槲Ь€。圖4-10低通濾波器原理圖〔11〕選擇S參數(shù)仿真控制器,設(shè)置掃頻X圍,去掉Port1和Port2,加上兩個(gè)終端負(fù)載term接地,并進(jìn)行仿真。圖4-11仿真結(jié)果〔12〕去掉兩個(gè)負(fù)載端口和接地線,兩端重新添加Port端口,選擇[Layout]中的[Generate/UpdateLayout]生成濾波器版圖。圖4-12低通濾波器版圖4.2結(jié)果參數(shù)分析從圖4-11仿真結(jié)果中可以看到在2.4GHz時(shí)S21的值為-2.991dB,在3.77GHz時(shí)S21的值為-0.087dB滿足通帶內(nèi)衰減小于3dB,在6GHz時(shí)S21的值為-33.764dB此時(shí)衰減大于25dB同樣滿足設(shè)計(jì)要求,但是從圖中可以看到通帶頻率X圍并沒有達(dá)到4GHz,需要進(jìn)一步的優(yōu)化電路。第五章終結(jié)與展望本文首先介紹射頻電路和微波電路在現(xiàn)代通信領(lǐng)域的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,從而提出了濾波器在射頻和濾波電路中的重要作用。之后詳細(xì)介紹了國內(nèi)外在濾波器設(shè)計(jì)中的不同成績和研究方法。指出新材料和新型結(jié)構(gòu)對(duì)微帶濾波器性能的提高,之后提出基于ADS軟件設(shè)計(jì)濾波器的原理和方法。并詳細(xì)介紹了使用ADS運(yùn)用理查德變換和科洛達(dá)規(guī)則進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)的詳細(xì)過程。本文主要提出一種使用集總參數(shù)設(shè)計(jì)微帶短截線的低通濾波器的方法步驟,并生成版圖達(dá)到設(shè)計(jì)效果。參考文獻(xiàn)[1]徐曉東,微帶帶通濾波器的研究[D].XX:XX理工大學(xué),2007.[2]清華大學(xué)《微帶電路》編寫組.微帶電路[M].:人民郵電,1975.[3]黃秋原,董詩波.射頻電路中匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和分析[J].XX理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2007,31<6>:1061-1063.[4]OkabeH,CalozC,ItohT.Acompactenhanced-bandwidthhybridringusingaleft-handedtransmissionlinesection[C]//MicrowaveSymposiumDigest,2003IEEEMTT-SInternational.IEEE,2003,1:329-332.[5]GencA,BakturR.Atunablebandpassfilterbasedonvaractorloadedsplit‐ringresonators[J].MicrowaveandOpticalTechnologyLetters,2009,51<10>:2394-2396.[6]Durán-SindreuM,BonacheJ,MartínF.CompactCPWdual-bandbandpassfiltersbasedonsemi-lumpedelementsandmetamaterialconcepts[C]//MicrowaveConferenceProceedings<APMC>,2010Asia-Pacific.IEEE,2010:670-673.[7]StudnibergM,EleftheriadesGV.Adual-bandbandpassfilterbasedon