射频分布参数滤波器的仿真.doc

实验4 分布参数滤波器的仿真
实验目的：
通过仿真理解和掌握微带滤波器的实现方法。
实验原理：
1．理查德（Richards）变换
通过理查德（Richards）变换，可以将集总元器件的电感和电容用一段终端短路或终端开路的传输线等效。终端短路和终端开路传输线的输入阻抗具有纯电抗性，利用传输线的这一特性，可以实现集总元器件到分布参数元器件的变换。
2．科洛达（Kuroda）规则
科洛达（Kuroda）规则是利用附加的传输线段，得到在实际上更容易实现的滤波器。例如，利用科洛达规则即可以将串联短截线变换为并联短截线，又可以将短截线在物理上分开。在科洛达规则中附加的传输线段称为单位元器件，单位元器件是一段传输线，当f = f0时这段传输线长为 。
3．设计步骤：
1.根据设计要求选择归一化滤波器参数
2.用λ/8传输线替换电感和电容
3.根据Kuroda规则将串联短线变换为并联短线
4.反归一化并选择等效微带线
实验内容：
1.设计一个微带短截线低通滤波器，该滤波器的截止频率为4GHz，通带内波纹为3dB，滤波器采用3阶，系统阻抗为50Ω。
实验步骤：
微带短截线低通滤波器设计举例
下面设计一个微带短截线低通滤波器，该滤波器的截止频率为4GHz，通带内波纹为3dB，滤波器采用3阶，系统阻抗为50Ω。设计微带短截线低通滤波器的步骤如下。
（1）滤波器为3阶、带内波纹为3dB的切比雪夫低通滤波器原型的元器件值为

集总参数低通原型电路如图11.29所示。
（2）利用理查德变换，将集总元器件变换成短截线，如图11.30（a）所示，图中短截线的特性阻抗为归一化值。
（3）增添单位元器件，然后利用科洛达规则将串联短截线变换为并联短截线，如图11.30（b）所示，图中短截线的特性阻抗为归一化值。
（4）与图11.29对应的微带短截线滤波电路如图11.30（c）所示，图11.30（c）中归一化特性阻抗已经变换到实际特性阻抗。

图11.29  集总参数低通原型电路

图11.30（a）  集总元器件变换成短截线的低通电路

图11.30（c） 微带短截线低通滤波电路

ADS仿真步骤：
1． 创建原理图
2． 利用ADS的工具tools完成对微带线的计算
下面利用ADS软件提供的计算工具tools，完成对微带短截线尺寸的计算。
（1）设置微带线参数。在原理图的元器件面板列表上，选择微带线【TLines-Microstrip】，元器件面板上出现与微带线对应的元器件图标。在微带线元器件面板上，选择MSUB插入到原理图的画图区，在画图区中双击MSub，弹出【Microstrip Substrate】设置对话框，在【Microstrip Substrate】对话框中对微带线参数设置如下。
H=2mm，表示微带线基板的厚度为2mm。
Er=2.3，表示微带线基板的相对介电常数为2.3。
Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。
Cond=4.1E+7，表示微带线导体的电导率为4.1E+7。
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。
TanD=0.000 3，表示微带线的损耗角正切为0.000 3。
Rough=0mm，表示微带线表面粗糙度为0 mm。
完成设置的微带线MSUB控件如图11.33所示。

图11.33  微带线参数设置
（2）在微带线元器件面板上，选择微带线MLIN，插入到原理图的画图区。
（3）在画图区中选中微带线MLIN，然后选择【tools】菜单→【LineCalc】→【Send Selected Component To LineCalc】命令，弹出【LineCalc】计算窗口，【LineCalc】计算窗口如图11.34所示。

图11.34  微带线尺寸计算窗口
在图11.34中，【LineCalc】计算窗口Substrate Parameters栏内的微带线参数已经赋值，微带线参数的赋值与图11.33的赋值一致。
（4）在【LineCalc】计算窗口，设置如下。
将频率Freq设置为4GHz。
将微带线的特性阻抗设置为217.5Ω。
将微带线的长度相移设置为45°。
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=0.079 6mm，表示微带线的宽度为0.079 6mm。
L=7.268mm，表示微带线的长度为7.268mm。
（5）在【LineCalc】计算窗口，继续计算。
将频率Freq设置为4GHz。
将微带线的特性阻抗设置为50Ω。
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=5.974mm，表示微带线的宽度为5.974mm。
（6）在原理图画图区中，计算终端开路的微带线MLOC。选择【tools】菜单→【LineCalc】→【Start LineCalc】命令，弹出【LineCalc】计算窗口，在【LineCalc】计算窗口中，将Substrate Parameters栏内的微带线赋值，微带线参数的赋值与图11.33的赋值一致。在【LineCalc】计算窗口，将参数设置如下。
将频率Freq设置为4GHz。
将微带线的特性阻抗设置为64.9Ω。
将微带线的长度相移设置为45°。
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=3.920mm，表示终端开路的微带线宽度为3.920mm。
L=6.759mm，表示终端开路的微带线长度为6.759mm。
（7）在【LineCalc】计算窗口，继续计算。
将频率Freq设置为4GHz。
将微带线的特性阻抗设置为70.3Ω。
将微带线的长度相移设置为45°。
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=3.405mm，表示终端开路的微带线宽度为3.405mm。
L=6.790mm，表示终端开路的微带线长度为6.790mm。
（8）通过上述计算得到的数据，是微带短截线低通滤波器的尺寸。由上述计算得到的微带线的宽度和长度列表如下。
表11.2 计算微带短截线的尺寸
节
特性阻抗
相移
微带线的宽度
微带线的长度
微带线
单位元器件
217.5Ω
45°
0.079 6mm
7.268mm
微带短截线1
64.9Ω
45°
3.920mm
6.759mm
微带短截线2
70.3Ω
45°
3.405mm
6.790mm
微带短截线3
64.9Ω
45°
3.920mm
6.759mm
系统阻抗
50Ω

5.974mm

3．设计原理图
在微带短截线Filter_Stub1原理图上，根据图11.30搭建微带短截线低通滤波器原理图电路，搭建原理图的步骤如下。
（1）保留前面设置的微带线参数，删除原理图中的一个微带线MLIN，这时原理图中只有图11.33所示的微带线MSUB控件。
（2）在原理图的元器件面板列表上，选择微带线【TLines-Microstrip】，元器件面板上出现与微带线对应的元器件图标。在微带线元器件面板上，选择微带线MLIN，4次插入到原理图的画图区，将4个MLIN微带线的宽度W和长度设置如下。
传输线TL1设置为宽度W=5.974mm、长度L=5mm。
传输线TL2设置为宽度W=0.079 6mm、长度L=7.268mm。
传输线TL3设置为宽度W=0.079 6mm、长度L=7.268mm。
传输线TL4设置为宽度W=5.974mm、长度L=5mm。
（3）在微带线元器件面板上，选择微带线的T形结MTEE，3次插入到原理图的画图区，将3个T形结MTEE设置如下。
T形结MTEE1设置为W1=5.794mm、W2=0.079 6mm和W3=3.920mm。
T形结MTEE2设置为W1=0.079 6mm、W2=0.079 6mm和W3=3.405mm。
T形结MTEE3设置为W1=0.079 6mm、W2=5.794mm和W3=3.920mm。
（4）单击工具栏中的 按钮，将前面的MTEE和MLIN连接起来，连接方式如图11.35所示。

（点击查看大图）图11.35  3个MTEE和4个MLIN连接
（5）在微带线元器件面板上，选择终端开路的微带线MLOC，3次插入到原理图的画图区，将3个MLOC设置如下。
终端开路的微带线TL5设置为宽度W=3.920mm、长度L=6.759mm。
终端开路的微带线TL6设置为宽度W=3.405mm、长度L=6.790mm。
终端开路的微带线TL7设置为宽度W=3.920mm、长度L=6.759mm。
（6）单击工具栏中的 按钮，将前面的MTEE、MLIN和终端开路的微带线MLOC连接起来，连接方式如图11.36所示，图11.36为微带短截线低通滤波器。

（点击查看大图）图11.36  微带短截线低通滤波器
4．原理图仿真与调谐
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。

（点击查看大图）图11.37带有终端负载的微带短截线低通滤波器原理图
（1）在S参数仿真元器件面板上，选择S参数仿真控件SP，插入到原理图画图区，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6GHz。
频率扫描的步长设为0.1GHz。
其余的参数保持默认状态。
单击S参数仿真控件设置窗口中的OK，完成对S参数仿真控件的设置，S参数仿真控件SP如图11.38所示。
（2）现在可以对微带短截线低通滤波器的原理图仿真了。在原理图工具栏中单击 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，插入到数据显示区。
选择矩形图的横轴为频率，纵轴为用分贝（dB）表示的S21。
在S21曲线上插入3个Marker，S21曲线如图11.39所示。
单击工具栏中的 按钮，保存数据。

图11.38  S参数仿真控件SP

图11.39

（4）由图11.39可以看出，S21曲线在2.7GHz、4GHz和6GHz处的值如下。
在2.7GHz处，S21的值为?4.566dB。
在4GHz处，S21的值为?0.220dB。
在6GHz处，S21的值为?31.722dB。
图11.39所示的曲线在2.7GHz处不满足技术指标。
（5）图11.39的曲线不满足技术指标，需要调整原理图，调整的方法如下。
将微带线宽度为0.079 6mm的传输线段TL2和TL3，修改为宽度为0.2mm，这样的微带线便于实现。
将微带线T形结Tee1、Tee2和Tee3的宽度，由0.079 6mm修改为0.2mm，这样的微带线T形结便于实现。
将终端开路的微带线MLOC1、MLOC2和MLOC3的长度进行调谐。
（6）下面采用调谐来改变滤波器中终端开路传输线段的长度，以期达到合格的S21曲线。按下键盘中的Shift键，同时用鼠标分别选中原理图中的传输线TL5、传输线TL6和传输线TL7，然后释放shift键，这时原理图中的传输线TL5、传输线TL6和传输线TL7颜色发生改变，说明将要对这3个传输线进行调谐，这时原理图如图11.40所示。

（点击查看大图）图11.40  在原理图中选中需要调谐的3个传输线
（7）单击工具栏中的 按钮，对电路调谐进行设置并调谐。单击 按钮后，同时弹出三个窗口，这三个窗口分别是参数调谐窗口【Tune Parameters】、仿真状态窗口和数据显示窗口，这时原理图中的3个调谐传输线还都是初始值，没有被调谐，参数调谐窗口如图11.41所示。
（8）在图11.41所示的参数调谐窗口，保持默认设置状态，然后单击原理图中的传输线TL5，弹出【Instance Tune Parameters】窗口，在该窗口中选中传输线的长度L，说明要对传输线的长度L进行调谐。单击【Instance Tune Parameters】窗口中的【OK】按钮，关闭该窗口，同时调谐窗口【Tune Parameters】中出现传输线TL5的长度L的调谐范围。
（9）用同样的方法，让传输线TL6和传输线TL7的调谐范围也出现在调谐窗口【Tune Parameters】中， 也就是说传输线TL5、传输线TL6和传输线TL7三个元器件都将调谐。在调谐窗口【Tune Parameters】中，保持Max、Min和Scale的默认状态，更改Step值，将传输线TL5、传输线TL6和传输线TL7三个元器件的Step值都更改为0.1。调谐窗口如图11.42所示。

图11.41 调谐窗口的初始状态

图11.42  带有三个调谐范围的调谐窗口

（10）手动调节传输线TL5、传输线TL6和传输线TL7的数值滚动条，更改它们的数值，可以看到调谐窗口【Tune Parameters】中的Value值在不断变化，同时数据显示视窗中的S21图形也在不断变化。通过调谐传输线TL5、传输线TL6和传输线TL7的长度值，使S21的曲线达到满意结果后，单击调谐窗口中的【Update Schematic】按钮，然后单击【Close】按钮，关闭调谐窗口。
（11）单击数据显示视窗中的 按钮，保存调谐后的曲线，这时数据显示视窗中的曲线如图11.43所示。由图11.43可以看出，S21曲线在2.4GHz、4GHz和6GHz处的值如下。
在2.4GHz处，S21的值为2.986dB。
在4GHz处，S21的值为1.623dB。
在6GHz处，S21的值为25.987dB。
曲线满足技术指标。

图11.43  调谐后的曲线
（12）这时原理图中的传输线TL5、传输线TL6和传输线TL7已经更新为调谐后的值，原理图如图11.44所示。

（点击查看大图）图11.44  调谐后的原理图
由图11.44可以看出，被调谐的3个传输线长度值如下。
传输线TL5的长度为L=5.542 38mm。
传输线TL6的长度为L=7.876 4mm。
传输线TL7的长度为L=5.474 79mm。
微带短截线低通滤波器版图的仿真（1）
由微带短截线低通滤波器的原理图，可以生成与之对应的微带短截线低通滤波器版图，下面由微带短截线原理图生成版图，并对版图进行仿真。
1．生成版图
（1）在原理图视窗上，去掉微带短截线低通滤波器二个端口的Term和"接地"，不让它们出现在生成的版图中，去掉Term和"接地"的微带短截线低通滤波器原理图如图11.45所示。

图11.45  去掉Term和"接地"的微带短截线原理图
（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。这时又会弹出【Status of Layout Generation】版图生成状态窗口，版图生成状态窗口显示了生成的版图中包含原理图有效元器件的数目，将这个窗口的内容与原理图比较，确认后单击【OK】按钮，完成版图的生成过程。
（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微带短截线低通滤波器版图，如图11.46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器件模型，在版图中已经转化成实际微带线。

（点击查看大图）图11.46  由微带短截线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，2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，具体设置方法如下。
选择版图视窗中的【Momentum】菜单→【Substrate】→【Create/Modify】命令，打开【Create/Modify Substrate】窗口，在打开的设置窗口可以修改微带线的基本参数，如图11.47所示。
还可以采用下面的方法设置微带线的基本参数。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。
完成微带线基本参数的设置后，微带短截线低通滤波器的版图设计就完成了。

图11.47  版图中修改微带线参数的窗口
2．版图仿真
下面对微带短截线低通滤波器版图进行仿真，观察版图的技术指标。
（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6GHz。
所取的样点为20个。如果如果所取的样点越多，仿真的结果就越精确，但花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】窗口如图11.48所示。
（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花费的时间等，这个仿真花费的时间较长。仿真结束后，数据显示视窗自动弹出，在数据显示视窗中，用矩形图表示S21曲线。

图11.48  版图仿真控制窗口
（4）在S21曲线上，插入三个Marker。
在1.938GHz处，S21曲线的衰减值为?2.527dB。
在4GHz处，S21曲线的衰减值为?10.236dB。
在6GHz处，S21曲线的衰减值为?48.657dB。
单击工具栏中的 按钮，保存S21的数据，S21曲线如图11.49所示

（点击查看大图）图11.49  微带短截线低通滤波器版图的仿真数据
（5）由图11.49可以看到，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，版图的S21曲线在4GHz处不满足技术指标，这需要对原理图和版图加以修改，然后再仿真。
（6）下面调整原理图，调整的方法如下。
将微带线宽度为0.2mm的传输线段TL2和TL3，修改为宽度为0.3mm。
将微带线T形结Tee1、Tee2和Tee3的宽度，由0.2mm修改为0.3mm。
将终端开路的微带线MLOC1、MLOC2和MLOC3的长度进行调谐。
（7）手动调节传输线TL5、传输线TL6和传输线TL7的长度，更改它们的数值，调谐后的曲线如图11.50所示。由图11.50可以看出，S21曲线在2.9GHz、4.4GHz和6GHz处的值如下。
在2.9GHz处，S21的值为?3.868dB。
在4.4GHz处，S21的值为?0.357dB。
在6GHz处，S21的值为?21.090dB。
第二次调谐后的原理图仿真曲线不满足技术指标。

图11.50  第二次调谐后的曲线
（8）这时原理图中的传输线TL5、传输线TL6和传输线TL7已经更新为调谐后的值，原理图如图11.51所示。
由图11.51可以看出，被调谐的3个传输线长度值如下。
传输线TL5的长度为L=6.894 18mm。
传输线TL6的长度为L=5.771 5mm。
传输线TL7的长度为L=3.785 04mm。
（9）由原理图再次生成版图，再次生成的微带短截线低通滤波器版图如图11.52所示。对比版图11.46和版图11.52可以发现，版图尺寸发生变化。
（10）对再次生成的版图进行仿真，仿真结束后，数据显示视窗自动弹出，在数据显示视窗中，用矩形图表示S21曲线。
（11）在S21曲线上，插入三个Marker。
在2.313GHz处，S21曲线的衰减值为3.036dB。
在4GHz处，S21曲线的衰减值为2.229dB。
在6GHz处，S21曲线的衰减值为45.738dB。
单击工具栏中的 按钮，保存S21的数据，S21曲线如图11.53所示

图11.53  满足技术指标的微带短截线低通滤波器版图仿真数据
由图11.53可以看出，现在的版图S21曲线满足技术指标。
（12）图11.50为第二次调谐后的原理图仿真曲线，图11.53为第二次调谐后的版图仿真曲线，这两个曲线有差异，原理图仿真曲线不满足技术指标，但对应的版图仿真曲线满足技术指标，最后选取第二次调谐后的尺寸作为微带短截线低通滤波器的结构图。

（点击查看大图）图11.51  第二次调谐后的原理图

（点击查看大图）图11.52  由微带短截线
实验结果仿真图：

图（1）板图

图（2）

图（3）

图（4）

图（5）
实验心得：
在这次实验中，我通过对未带滤波器进行了仿真实验，理解了未带滤波器的实现方法，同时，我也掌握了微带滤波器的实现方法。