ADS低通滤波器的设计与仿真.doc

电磁场与微波技术

课程设计报告

课程题目： 低通滤波器的设计与仿真
姓 名：
指导老师：
系 别： 电子信息与电气工程系
专 业： 通信工程
班 级：
学 号：
完成时间：

低通滤波器的设计与仿真
摘要：微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号, 使其不能通过滤波器, 只让需要的信号通过。在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重 要的意义。微带电路具有体积小，重量轻、频带宽等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应用之一。
关键词：ads；微带线；低通滤波器

一、设计思路
1、设计要求：截止频率：1.1GHz，通带内波纹小于0.2dB，在 1.21GHz 处具有不小 于 25dB 的带外衰减。
2、 方案选择
利用椭圆函数滤波器设计并仿真，经过优化后，结果调出来的波形能达到指标，但波形会形成带阻波形，只能实现在一定范围内低通。所以不选。
利用切比雪夫滤波器设计并仿真，经过优化调试后可用。
3、设计法案
首先用 LC 设计低通滤波器集总参数模型当频率工作在高频时，要用微带线代替 LC 元件。高阻抗微带线代替串联电 感，低阻抗微带线代替并联电容。一般取 Zhigh=120Ω， Zlow=20Ω。在输入和输 出加上 50Ω微带线。然后根据设计要求通过 ADS 自带的Linecalc 计算转换过来的微带线长和宽。 在进行设计时， 主要以滤波器的 S 参数作为优化目标进行优化仿真。 S21（S12） S（ 表示传输参数，滤波器的通带，阻带的位置以及衰减，起伏全部表现在 S21（S12） 随频率变化的曲线上。S11（S22）参数是输入、输出端口的反射系数，由它可以 换算输入输出的电压驻波比。如果反射系数过大，就会导致反射损耗过大，影响 系统的后级匹配，使系统性能下降。
板材设置：H（基板厚度）=0.8mm，Er（基板相对介电常数）=2.2，Mur （磁导率）=1，Cond（金属电导率）=1E+50，Hu（封装高度）=1E+033mm，T （金属层厚度）=0.01mm，TanD（损耗角正切）=0。
二、仿真过程及电路原理图、版图、S 参数等
经过ADS软件的仿真和折中，以下就以相对比较好的方案为例介绍详细过程以及电路和版图仿真的情况。
低通滤波器集总参数模型如图1所示： 图1
原理图设计并加T型接口如图2所示： 图2
优化控件如图 3 所示： 图3
未经优化原理图仿真的S（2，1）参数如图 4 所示：

图4

图中 m1 位置即为1.1GHz，与要求衰减3dB还有差距。因此需要对原电路进行优化，优化完后的S（2，1）参数如图5所示：
图5

由图5可看出经过优化后的S（2，1）参数达到设计要求。
图6
电路图仿真成功后进行PBC版图的生成和仿真，利用ADS软件生产版图如图6：

当生成版图后，在版图的两端边沿打上两个 Port，设置 Port 的板层和版图的 板层一致。 接下来就是把原理图的参数导入5版图中，点击版图窗口菜单中的Momentum -> Substrate -> Update From Schematic从原理图中获得参数。之后点击Momentum -> Simulation -> S-parameter弹出仿真设置窗口，该窗口右侧的Sweep Type选择Adaptive，起止频率设为与原理图中相同，采样点数限制取10 (因为仿真很慢，所以点数不要取得太多)。然后点击Update按钮，将设置填入左侧列表中，点击Simulate按钮开始进行仿真。仿真完S（2，1）参数波形如图7：
图8
图7
由图7可看出版图仿真的截止频率与设计要求还有点偏差，重新回到原理图窗口进行优化仿真，产生这种情况的原因是微带线的宽度取值不合适，可以改变优化变量的初值，也可根据曲线与指标的差别情况适当调整优化目标的参数，重新进行优化。经过多次重新优化后得到如图8的S（2，1）参数波形：
由图8可看出相比图7更接近设计要求，且证明版图仿真与设计要求也一直，此时的微带的长和宽的参数如图9所示：
图9

三、设计总结

本次课程设计是用ADS设计微带低通滤波器，根据设计要求设计所要制作的滤波器的原理图。经过小组讨论后决定用切比雪夫滤波器原型来设计。根据所给的参数计算出所要设计的滤波器需要的阶数为9，之后根据上网查找的经验方法用ADS自带的微带计算器算计算出所要用的微带的长和宽，设计完后进行优化时却无法优化出符合设计要求的S（2，1）参数波形，之后小组上网查找，在微波仿真论坛得到说可用椭圆函数滤波器制作。用进行了使用椭圆函数滤波器的制作，结果得到的波形是能满足带内波纹、截至频率、阻带频率，但所得图形是阻带图形，只能满足在一定范围内实现低通。通过查找资料可以利用集总的方法让ADS自行得出阶数与原理图，于是变用集总的方式得出了切比雪夫11阶滤波器，之后用第一次的计算方法，再经过优化终于得到正确的波形且完全符合设计要求。
通过本次课程设计，使我不仅学到了通信专业相关的知识，更重要的是掌握ADS的基本使用方法。通过实验，使我更直观地去理解和巩固课堂所学的理论知识，调动了我们的学习兴趣。通过ADS仿真实验，提升了我的动手能力和解决问题的能力。经过一学期的实验，经过小组不同分工，对实验的各个进度的讨论和改进，使我加强了团队合作的意识，，且对于低通滤波器有了更深的了解，特别是不同类型的滤波器——巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器以及椭圆函数滤波器的区分有了更深的理解。
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