低通滤波器报告.doc

陕西理工学院课程设计目录1 引言32课题研究意义33 微波滤波器介绍33.1 微波滤波器概述33.2滤波器的技术指标43.3滤波器的衰减特性44 低通微带阶梯阻抗滤波器设计54.1 短传输线段的近似等效电路54.2低通微带阶梯阻抗滤波器的设计指标64.3低通微带阶梯阻抗滤波器的设计步骤65 课程设计体会19参考文献：20摘要本次课程设计是基于ADS2008软件来完成低通微带阶梯阻抗滤波器的设计，Agilent ADS(Advanced Design System)是在HP EESOF系列EDA软件基础上发展完善起来的基于矩量法仿真的大型综合设计，是美国安捷伦公司开发的大型综合设计软件，其强大的仿真设计大大提高了复杂电路的设计效率，使之成为设计人员的有效工具。低通微带阶梯滤波器基于ADS2008的设计平台，来完成其设计指标，设计出一款实用的低通滤波器。 关键词：ADS2008；低通微带阶梯阻抗滤波器；1 引言阶梯阻抗低通滤波器也称为高低阻抗低通滤波器，它是一种结构简洁的电路，其由很高和很低特性阻抗的传输线段交替排列而成，结构紧凑，便于设计和实现。将给出符合技术指标的微带线阶梯阻抗低通滤波器原理图，并由原理图给出阶梯阻抗低通滤波器版图。2课题研究意义微波滤波器是一个二端口网络，它通过在滤波器通带频率内提供信号传输并在阻带内提供衰减的特性，用以控制微波系统中某处的频率响应。典型的频率响应包括低通、高通、带通和带阻特性。微波滤波器实际上已经应用与各类型的微波通信、雷达测试或测量系统中。微波滤波器的理论和实践始于第二次世界大战前几年。滤波器设计的镜像参量法是20世纪30年代后期开发的。使用镜像参量法设计的滤波器，由较简单的二端口滤波器节的级联构成，以便提供所希望的截止频率和衰减特性，但不能提供在整个工作范围内频率响应的具体性质。所以用镜像参量法设计滤波器虽然程序是相对简单的，但为了达到所希望的结果，常常必须迭代多次。一种更现代的过程成为插入损耗法，该方法采用网络综合技术设计出有完整的特定频率响应的滤波器。Agilent ADS(Advanced Design System)是在HP EESOF系列EDA软件基础上发展完善起来的基于矩量法仿真的大型综合设计，是美国安捷伦公司开发的大型综合设计软件，其强大的仿真设计大大提高了复杂电路的设计效率，使之成为设计人员的有效工具。 该实验采用插入损耗法，使用ADS软件中传输线分析综合工具计算微带线的宽度和长度，最终实现滤波器的综合和仿真。通过这种具有普遍性的实验方法的学习和实践，可把书本的理论知识与工程实际相结合，加深对理论知识的理解，对培养实践动手能力、观察发现问题和解决问题的能力以及培养学生工程研究能力具有一定的现实意义。3 微波滤波器介绍3.1 微波滤波器概述在微波波段的滤波器可以通过多种方式来实现，包括同轴线，波导，介质谐振器，微带线等。在平面电路中最常用的是微带型滤波器，微带线滤波器具有小尺寸，用光刻技术易于加工易与其他有源电路元件(如MMIC)集在一起；另外，它能通过采用不同的衬底材料在很大的频率范围内(从几MHz到几十GHz)应用。下面是几种常见结构的滤波器：平行耦合微带线滤波器、交指型滤波器、发夹型滤波器。其中半波长平行耦合微带线带通滤波器是微波集成电路中广为应用的带通滤波器形式，其结构紧凑，第二寄生通带的中心频率位于主通中心频率的3倍处，适应频率范围大、，适用于宽带滤波器时相对带宽达20。其缺点为插损较大，同时，谐振器在一个方向依次摆开，造成滤器在一个方向上占用了较大空间。3.2滤波器的技术指标滤波器的指标形象地描述了滤波器的频率响应特性。下面对这些技术指标做一简单介绍。(1) 工作频率：滤波器的通带频率范围,有两种定义方式： 3 dB带宽：由通带最小插入损耗点（通带传输特性的最高点）向下移3 dB时所测的通带宽度。这是经典的定义,没有考虑插入损耗,易引起误解,工程中较少使用。 插损带宽：满足插入损耗时所测的带宽。这个定义比较严谨,在工程中常用。 (2) 插入损耗：由于滤波器的介入,在系统内引入的损耗。滤波器通带内的最大损耗包括构成滤波器的所有元件的电阻性损耗。插入损耗限定了工作频率,也限定了使用场合的两端阻抗。(3) 带内纹波：插入损耗的波动范围。带内纹波越小越好,否则,会增加通过滤波器的不同频率信号的功率起伏。(4) 带外抑制：规定滤波器在什么频率上会阻断信号,是滤波器特性的矩形度的一种描述方式。也可用带外滚降来描述,就是规定滤波器通带外每多少频率下降多少分贝。滤波器的寄生通带损耗越大越好,也就是谐振电路的二次、 三次等高次谐振峰越低越好。(5) 承受功率：在大功率发射机末端使用的滤波器要按大功率设计,元件体积要大,否则,会击穿打火,发射功率急剧下降。3.3滤波器的衰减特性因通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性,即 式中,Pin和PL分别为输出端接匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率。随着频率的不同其数值不同，这就是滤波器的衰减特性。根据衰减特性,滤波器分为低通、 高通、 带通和带阻四种。这四种微波滤波器的特性都可由低通原型特性变换而来。上式仅表示某个频率的衰减。为了描述衰减特性与频率的相关性,通常使用数学多项式来逼近滤波器特性。最平坦型用巴特沃士(Butterworth),等波纹型用切比雪夫(Tchebeshev),陡峭型用椭圆函数型(Elliptic)，等延时用高斯多项式（Gaussian）。下表给出这四种类型滤波器的基本特性。对于微波应用，集总元件电路必须变更到由传输线段组成的分布元件，理查德（Richard）变换和科洛达（Kuroda）恒等关系提供了这个手段。4 低通微带阶梯阻抗滤波器设计4.1 短传输线段的近似等效电路阶梯阻抗低通滤波器是由特性阻抗很高或很低的短传输线段构成，短传输线段的近似等效电路需要讨论。一段特性阻抗为 、长度为 的传输线的Z矩阵为一段传输线的网络参量与集总元器件T形网络的网络参量有等效关系。集总元器件T形网络的Z矩阵为假定集总元器件T形网络由电感和电容构成，若假定传输线有大的特性阻抗和短的长度（ ），一段短传输线与集总元器件T形网络的等效关系为从前面的讨论可以知道，一段特性阻抗很高的传输线可以等效为串联电感。而且传输线的特性阻抗越高所需的传输线长度越短；一段特性阻抗很低的传输线可以等效为并联电容，而且传输线的特性阻抗越低所需的传输线长度也越短。正是因为上面的原因，等效为电感的传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最大值，等效为电容的传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最小值。4.2低通微带阶梯阻抗滤波器的设计指标学习微波滤波器设计原理与流程，使用ADS软件中传输线分析综合工具计算微带线的宽度和长度，最终实现滤波器的综合和仿真。设计微带线阶梯阻抗低通滤波器，要求截止频率为3GHz，通带内波纹为0.5dB，在6GHz处具有不小于40dB的衰减，系统输入、输出阻抗为50，微带线厚1mm，介质相对介电常数为2.7，选微带线特性阻抗最大值Zh=120，特性阻抗最小值Zl=15。4.3低通微带阶梯阻抗滤波器的设计步骤1创建项目下面将创建一个分布参数低通滤波器项目，所有的设计都将保存在这个项目之中。创建项目的步骤如下。（1）启动ADS软件，弹出主视窗。（2）选择主视窗中【File】菜单【New Project】，弹出【New Project】对话框，在【New Project】对话框中，输入项目名称和这个项目默认的长度单位，这里项目名称定为Microstrip Filter_Lowpass，默认的长度单位选为millimeter。（3）单击【New Project】对话框中的【OK】按钮，完成创建分布参数低通滤波器项目。2创建原理图在MicrostripFilter项目中创建一个阶梯阻抗低通滤波器的原理图，这个原理图命名为Filter1。创建原理图的步骤如下：在主视窗中选择【File】菜单【New Design】,弹出【New Design】对话框，在【New Design】对话框中，输入新建的原理图名称Filter1，并选择对话框【Create New Design in】项中的New Schematic Window(新建原理图视窗)，以及选择【Schematic Design Templates】(原理图设计模版)项中的none,【New Design】对话框如图1所示。单击【New Design】对话框中的【OK】按钮，完成创建原理图，新建的原理图Filter1自动打开。图1 创建阶梯阻抗低通滤波器原理图3利用ADS微带线的计算工具完成对微带线的计算在原理图Filter1上，选择【tools】菜单【LineCalc】【Start LineCalc】命令，弹出【LineCalc】计算窗口，【LineCalc】计算窗口如图2所示。图2 计算微带线的尺寸在【LineCalc】计算窗口，在已知传输线的特性阻抗和相移的前提下，计算微带线的宽度和长度。在【LineCalc】计算窗口选择如下 Type选择为MLIN，意为计算微带线。 Er=2.7，表示微带线基板的相对介电常数为2.7. Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1. H=1mm，表示微带线基板的厚度为1mm。 Hu=1.0e+033mm，表示微带线的封装高度为1.0e+033mm。 T=0.05mm，表示微带线的导体层厚度为0.05mm。 Cond=5.8E+7，表示微带线导体的电导率为5.8E+7。 TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为0.0003. Rough=0mm，表示微带线表面粗糙度为0mm。 Freq=3GHz，表示计算时采用频率3GHz。 Z0=15Ohm，表示计算时特性阻抗采用15。 E_Eff=29.3deg，表示计算时微带线的长度时，采用29.3相移。 上述设置完成后，单击【LineCalc】计算窗口中的Synthesize按钮，在【LineCalc】窗口中显示出计算结果如下。W=12.86mm，表示微带线的宽度为12.86mm。L=5.15mm，表示微带线的长度为5.15mm。继续是用【LineCalc】计算窗口进行计算，需要计算的数据如下特性阻抗为120，相移为29.4时微带线的宽度和长度。特性阻抗为15，相移为43.7时微带线的宽度和长度。特性阻抗为50时，微带线的宽度。通过上述计算得到的数据，是微带线阶梯阻抗低通老前辈的尺寸，滤波器的阶数是5阶，滤波器由5段传输线段构成。由上述计算得到的微带线的宽度和长度列表如表1所示。表1 计算微带线的尺寸节等效的元件特性阻抗相移微带线的宽度微带线的长度1并联电容1529.3 12.86mm5.15mm2串联电感12029.4 0.40mm5.81mm3并联电容1543.7 12.86mm7.68mm4串联电感12029.4 0.40mm5.81mm5并联电容1529.3 12.86mm5.15mm系统阻抗502.63mm4设计原理图在Filter1原理图上，根据图2.3搭建阶梯阻抗低通滤波器原理图电路，低通滤波器使用微带线搭建。（1）在原理图的元件面板列表上，选择微带线【TLine-Microstrip】，元件面板上出现与微带线对应的元件图标。（2）在微带线元件面板上选择MLIN，5次插入到原理图的画图区，MLIN是一段长度的微带线，可以设置这段微带线的宽度W和长度L。分别双击画图区的5个MLIN，将5个MLIN的数值分别设置如下TL1微带线设置为宽度W=12.86mm，长度L=5.15mm。TL2微带线设置为宽度W=0.40mm，长度L=5.81mm。TL3微带线设置为宽度W=12.86mm，长度L=7.68mm。TL4微带线设置为宽度W=0.40mm，长度L=5.81mm。TL5微带线设置为宽度W=12.86mm，长度L=5.15mm。（3）在微带线元件面板上选择MSTEP，6次插入原理图的画图区，MSTEP是微带线阶梯结，可以设置微带线阶梯结的宽度W1和宽度W2。分别双击画图区的6个MSTEP，将6个MSTEP的数值分别设置如下。MSTEP1微带线阶梯结设置为宽度W1=2.63mm，宽度W2=12.86mm。MSTEP2微带线阶梯结设置为宽度W1=12.86mm，宽度W2=0.40mm。MSTEP3微带线阶梯结设置为宽度W1=0.40mm，宽度W2=12.86mm。MSTEP4微带线阶梯结设置为宽度W1=12.86mm，宽度W2=0.40mm。MSTEP5微带线阶梯结设置为宽度W1=0.40mm，宽度W2=12.86mm。MSTEP6微带线阶梯结设置为宽度W1=12.86mm，宽度W2=2.63mm。（4）单击工具栏中的连线按钮，将前面原理图中的5个MLIN和6个MSTEP用导线连接起来，连接方式如图3所示。 图3 5个MLIN和6个MSTEP连接（5）在微带线元件面板上，选择MSUB插入原理图的画图区。在画图区中双击MSUB，设置结果如图4所示。 图4 微带线参数设置控件（6）利用ADS软件中的工具tools查验微带线TL1的电参数。单击原理图上的TL1，表示要计算TL1的电参数。然后选择【tools】菜单【LineCalc】【Send Selected Component To LineCalc】命令，经过几秒钟的计算后，弹出【LineCalc】窗口。在【LineCalc】窗口中，图2.8所示的微带线参数已经赋值到【LineCalc】窗口中，微带线的宽度W和长度L也已经赋值到【LineCalc】窗口中。 在【LineCalc】窗口中，将频率设置为3GHz，然后单击【LineCalc】计算窗口中的Analyze按钮，在【LineCalc】窗口中显示出微带线的电参数。微带线TL1的电参数如下微带线TL1的特性阻抗为14.998。微带线TL1的相移为29.299。（7）选择S参数仿真元件面板，在元件面板上选择负载终端Term，两次插入原理图冬，定义负载终端Term1为输入端口，负载终端Term2为输出端口。在原理图工具栏中单击接地按钮，将地线两次插入原理图，让负载终端Term接地。单击连线按钮，将负载终端Term和低通滤波器连接起来。5.原理图仿真与优化在仿真之前，首先设置S参数仿真控件SP，SP对原理图中的仿真参量给出取值范围，当S参数仿真控件SP确定后，就可以仿真了。（1）在S参数仿真元件面板上，选择S参数仿真控件SP，插入原理图的画图区，对S参数仿真控件SP设置如下。频率扫描类型选为线性Linear，频率扫描的起始值设为0GHz，频率扫描的终止值设为7GHz，频率扫描的步长设为0.1GHz其余参数保持默认状态。单击S参数仿真控件SP设置窗口中的【OK】按钮，完成对S参数仿真控件SP的设置。原理图如图5所示。图5 低通滤波器的原理图（2）现在可以对原理图仿真了，在原理图工具栏中单击仿真按钮，运行仿真，仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。（3）数据显示视窗的初始状态没有任何数据显示，用户自己选择需要显示的数据和数据显示的方式，这里选择的步骤如下。在数据显示视窗中，单击数据显示方式面板中的矩形图标，插入数据显示区。选择矩形图的横轴为频率，纵轴为用分贝（dB）表示的.在曲线上插入两个Marker，曲线如图6所示。单击工具栏中的保存按钮，保存数据图6 阶梯阻抗低通滤波器数据显示 （4）由图6可以看出，曲线在3GHz和6GHz处的值如下。 在3GHz处，的值为-17.319dB。 在6GHz处，的值为-43.509dB。 以上数据在6GHz处满足技术指标，在3GHz处不满足技术指标。（5）图6的曲线不满足技术指标，需要调整原理图，下面对原理图进行优化。（6）修改图6中电路元件的取值方式，将微带线和微带线阶梯结的宽度以及微带线的长度设置为变量，设置如下。TL1微带线设置为宽度W=w2mm。TL2微带线设置为宽度W=w1mm。TL3微带线设置为宽度W=w2mm,长度L=lmm。TL4微带线设置为宽度W=w1mm。TL5微带线设置为宽度W=w2mm。MSTEP1微带线阶梯结设置为宽度W1=2.63mm，宽度W2=w2mm。MSTEP2微带线阶梯结设置为宽度W1=w2mm，宽度W2=w1mm。MSTEP3微带线阶梯结设置为宽度W1=w1mm，宽度W2=w2mm。MSTEP4微带线阶梯结设置为宽度W1=w2mm，宽度W2=w1mm。MSTEP5微带线阶梯结设置为宽度W1=w1mm，宽度W2=w2mm。MSTEP6微带线阶梯结设置为宽度W1=w2mm，宽度W2=2.63mm。完成变量设置的原理图如图7所示图7 设置原理图中的变量(7)在原理图的工具栏中，选择变量【VAR】按钮，插入原理图的画图区。在画图区中双击VAR，弹出【Variables and Equations】设置对话框，在对话框中对变量w1、w2和l进行设置。对变量w1设置如下。在Name栏填入w1。在Variable Value栏填入0.4。单击【Tune/Opt/Stat/DOE Setup】按钮，打开【Setup】设置窗口，在【Setup】窗口中，选择优化Optimization按钮，然后在Optimization Status栏选择Enabled,在Type栏选择Continuous,在Format栏选择min/max，在Minimum Value栏填入0.3，在Maximum Value栏填入0.6。单击【OK】按钮结束对w1的设置。(8)用同样的方法设置变量w2和l，设置如下。导体带宽度w2的Variable Value值填入12.86，在Minimum Value栏填入10，在Maximum Value栏填入15。 微带线的长度l的Variable Value值填入7.68，在Minimum Value栏填入6.68，在Maximum Value栏填入7.68。原理图中设置完成的VAR控件如图8所示。 图8 变量控件（9）在原理图的元件面板列表上，选择优化元件【OPTIM/Stat/Yield/DOE】项，在优化的元件面板上，选择优化控件Optim插入原理图的画图区，并选择目标控件Goal插入原理图的画图区，共插入两个目标控件Goal。（10）双击画图区的优化控件Optim，打开【Nominal Optimization】窗口，在【Nominal Optimization】窗口中设置优化控件，设置优化控件的步骤如下。选择随机Random优化方式。优化次数选择100次。其余的选项保持默认状态。(11)下面设置目标控件Goal1.双击目标控件1，设置如下。选择Expr为dB（S（2，1）。选择目标控件的期望值为用dB表示的.选择Min为-1.期望值S21的最小值为-1dB。选择RangeVar1为freq。变量选为频率。选择RangeMin1为0GHz。频率的最小值选为0GHz。选择RangeMax1为3GHz。频率的最大值选为3GHz。其余的选项保持默认状态。1. 用同样的方法设置目标控件2.2. 原理图中设置完成的优化控件和目标控件如图9所示。图9 设置完成的优化控件和目标控件(12)现在原理图如图10所示。图10 优化后的低通滤波器原理图现在可以对图10所示的原理图仿真了。在原理图工具栏中单击仿真【Simulate】图标，运行仿真，仿真过程中弹出了仿真状态窗口，记录了频率扫描范围、变量取值和仿真花费的时间等。仿真结束后，选择【Simulate】菜单【Update Optimization Values】命令，将优化后的值保存在原理图中，优化后的电路元件值如下。w1=0.543161.w2=10.0195.l=7.04585. （13）仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。在数据显示视窗用矩形图表示曲线，矩形图横轴为频率范围，纵轴是用分贝（dB）表示的。单击工具栏中的Marker按钮，在曲线3GHz和6GHz处各插入个标记，插入标记的曲线如图11所示。图11 低通滤波器原理图优化数据6 生成阶梯阻抗低通滤波器版图 （1）在原理图视窗上，去掉阶梯阻抗低通滤波器两个端口的Term、接地和优化控件，不让它们出现在生成的班图中，去掉的方法是单击原理图工具栏中的【Deactive or Active Component】按钮，然后单击两个端口的Term、接地、和优化控件，若Term、接地、优化控件打了红叉，表示已经关掉，这是阶梯阻抗低通滤波器如图12所示。图12 去掉Term、接地和优化控件的原理图（2）选择原理图上的【Layout】菜单【Generate/Update Layout】，弹出【Generate/Update Layout】设置窗口，单击窗口上的【OK】按钮。默认它的设置。（3）完成版图的生成过程后，版图视窗会自动打开，画图区会显示刚刚生成的版图，如图13所示。对比原理图和版图可以发现，原理图中构成滤波器电路的各种微带线元件模型，在版图中已经转化成实际微带线。图13 由阶梯阻抗低通滤波器原理图生成的版图（4）选择版图工具栏上的端口Port，两次插入版图，输入端口设置为端口1，输出端口设置为端口2.（5）下面设置微带线的基本参数。为了使版图的仿真结果有效，必须使版图中微带线的基本参数与原理图中微带线的基本参数一致。选择版图视窗中的【Momentum】菜单【Substrate】【Update From Schematic】命令，从原理图视窗得到微带线的基本参数。7.版图仿真（1）选择版图视窗中的【Momentum】菜单【Simulation】【S-Paramete】命令，打开仿真控制【Simulation Control】窗口。（2）在仿真控制【Simulation Control】窗口设置如下。扫描类型Sweep Type设置为Adaptive。频率扫描的起始值为0GHz。频率扫描的终止值为7GHz。所取的样点为20个。如果所取的样点越多，仿真的结果就越精确，但话费的仿真时间也越长。单击【Update】按钮，将上面设置填到左侧频率计划表中，设置完成的仿真控制【Simulation Control】窗口。 （3）单击仿真控制【Simulation Control】窗口中的【Simulate】按钮，开始仿真。仿真过程中弹出了仿真状态窗口，记录了频率扫描范围和仿真话费的时间等，这个仿真话费的时间较长。（4）仿真结束后，数据显示视窗自动弹出，在数据显示视窗中，有用矩形图表示曲线。（5）在曲线上，插入两个Marker。在2.917GHz处，曲线的衰减值为-0.759dB。在5.931GHz处，曲线的衰减值为-30.203dB。保存的数据，曲线如图14所示，曲线满足设计指标。图14 阶梯阻抗低通滤波器版图的仿真数据8 结论及总结版图的仿真数据与原理图的仿真数据有一些差异，这是由于版图的仿真方法与原理图的仿真方法不同。5 课程设计体会我们知道，课程设计一般强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础通过本次课设，能够使我们熟练掌握ADS2008软件的使用，以及如何设计微波电路，从而全面地提高我们对射频电路，微波器件的理解，进而增强我们在实践环节的动手操作能力。在进行课设之前，要求我们具备微波技术、射频电路、ADS2008仿真平台的使用等相关课程的知识，并具备一些基本的实践操作水平，为以后的就业打好一定的基础。总的来说，这次的课程设计自己还是很满意的，感觉收获了不少东西，相信此次学到的知识在以后的生活和学习中对我会有很大的帮助！参考文献：（1） 王子宇 王心悦 等译，射频电路设计-理论与应用，电子工业出社.2013.8:p112-182；（2） 黄玉兰，射频电路理论与设计，人民邮电出版社.2012.12:p101-107；p129-163. 20 / 20