實(shí)驗(yàn)四_微波射頻帶通濾波器設(shè)計(jì)

1、實(shí)驗(yàn)四 射頻濾波器設(shè)計(jì)、仿真、制作與測試,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,2,一、濾波器原理,如圖所示的雙端口網(wǎng)絡(luò), 設(shè)從一個(gè)端口輸入一具有均勻功率譜的信號(hào),信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)后,在另一端口的負(fù)載上吸收的功率譜不再是均勻的,也就是說,網(wǎng)絡(luò)具有頻率選擇性,這便是一個(gè)濾波器。,通常采用工作衰減來描述濾波器的衰減特性：,Pin和PL分別為輸出端接匹配負(fù)載時(shí)的濾波器輸入功率和負(fù)載吸收功率。,1.1 濾波器的概念,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,3,低通,帶阻,高通,帶通,2020/11/1,MW & Opti. Comm

2、u. Lab, XJTU,4,三種濾波器函數(shù),2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,5,1.2 濾波器的技術(shù)指標(biāo),（1）工作頻率：濾波器的工作頻率范圍 （2） 插入損耗：由于濾波器的介入,在系統(tǒng)內(nèi)引入的損耗 （3） 帶內(nèi)紋波：插入損耗的波動(dòng)范圍 （4） 帶外抑制:規(guī)定濾波器在什么頻率上會(huì)阻斷信號(hào),是濾波器特性的矩形度的一種描述方式。也可用帶外滾降來描述,就是規(guī)定濾波器通帶外每多少頻率下降多少分貝。 （5）承受功率：在大功率發(fā)射機(jī)末端使用的濾波器要按大功率設(shè)計(jì),元件體積要大,否則,會(huì)擊穿打火,發(fā)射功率急劇下降。,2020/11/1,MW & Opti. Co

3、mmu. Lab, XJTU,6,1.3 濾波器的設(shè)計(jì)的經(jīng)典方法,低通原型綜合法步驟： （1）由衰減特性綜合出低通原型 （2）再進(jìn)行頻率變換，變換成所設(shè)計(jì)的濾波器類型 （3）計(jì)算濾波器電路元件值 （4）微波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電路元件，并用微波微波仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真。,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,7,1.4 濾波器的低通原型,濾波器低通原型為電感電容網(wǎng)絡(luò), 其中元件數(shù)和元件值只與通帶結(jié)束頻率、 衰減和阻帶起始頻率、 衰減有關(guān)。設(shè)計(jì)中都采用表格而不用繁雜的計(jì)算公式。,巴特沃士、 切比雪夫的低通原型電路結(jié)構(gòu),2020/11/1,MW & Opti. Commu

4、. Lab, XJTU,8,1. 巴特沃士：已知帶邊衰減為3dB處的歸一化頻率c=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率s,則元件數(shù)n由下式給出,元件值由下表給出。,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9,2. 切比雪夫，已知帶內(nèi)衰減與波紋指標(biāo)LAr、歸一化頻率c=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率s,則元件數(shù)n由下式給出,元件值由下表給出。,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,10,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,11,1.5 濾波器的四種頻率變換,由低通原型濾波器經(jīng)過頻率

5、變換,就可得到低通、 高通、帶通、帶阻四種實(shí)用濾波器。定義阻抗因子為,低通變換：,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,12,高通變換：,帶通變換：,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,13,帶阻變換：,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,14,例：設(shè)計(jì)一個(gè)L-C切比雪夫型低通濾波器,截止頻率為75 MHz,衰減為3 dB,波紋為 1dB, 頻率大于100 MHz,衰減大于20 dB，Z0=50。,二、集總參數(shù)濾波器,（1） 確定指標(biāo): 特性阻抗Z0=50, 截止頻率fc=75

6、MHz, 阻帶邊頻fs=100MHz,通帶最大衰減LAr=3dB,阻帶最小衰減LAs=20dB。,（2） 計(jì)算元件級(jí)數(shù)n：,n取最接近的整數(shù),則n=5,（3）查表求原型元件值gi,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,15,低通變換：,（4）計(jì)算實(shí)際元件值,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,16,（5）畫出電路結(jié)構(gòu)，進(jìn)行電路仿真,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,17,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,18,例2：設(shè)計(jì)一個(gè)L-C切比

7、雪夫型帶通濾波器,中心頻率為75 MHz, 3dB帶寬為10MHz, 波紋為1dB, 工作頻帶外7515MHz的衰減大于30dB, Z0=50。,（1） 確定指標(biāo): 特性阻抗Z0=50, 截止頻率fc=75MHz, 阻帶邊頻fs=100MHz,通帶最大衰減LAr=3dB,阻帶最小衰減LAs=20dB。,特性阻抗： Z0=50 上通帶邊頻： f1=75+5=80 MHz 下通帶邊頻： f2=75-5=70 MHz 上阻帶邊頻： f=75+15=90 MHz 下阻帶邊頻： f=75-15=60MHz 通帶內(nèi)最大衰減： LAr=3dB 阻帶最小衰減 ： LAs=30dB,（2）計(jì)算相關(guān)參數(shù),2020

8、/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,19,（3） 計(jì)算元件節(jié)數(shù)n,n取整數(shù)3,（4） 查表得原型元件值gi,（5） 帶通變換,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,20,（6） 畫出電路，進(jìn)行仿真,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,21,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,22,三、分布參數(shù)濾波器,高 、 低阻抗線低通濾波器,枝節(jié)線低通濾波器,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,23,七節(jié)切比雪夫?yàn)V波器,

9、2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,24,三節(jié)端耦合微帶帶通濾波器,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,25,平行耦合諧振單元帶通濾波器,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,26,發(fā)卡式帶通濾波器,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,27,同軸腔體低通濾波器,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,28,多層左右手復(fù)合傳輸線濾波器,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJ

10、TU,29,例：設(shè)計(jì)一個(gè)三階微帶低通濾波器, 截止頻率f1=1GHz, 通帶波紋為0.1dB,阻抗Z0=50。,（1）三節(jié)低通原型元件值為 g0=g4=1, g1=g3=1.0316, g2=1.1474。,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,30,（2）進(jìn)行低通變換,（3） 微帶實(shí)現(xiàn)，微帶高低阻抗線。高阻抗線近似于電感,低阻抗線近似于電容。取高、低阻抗線的特性阻抗分別為Z0L=93, Z0C=24。 ,微帶基板參數(shù)： 相對(duì)介電常數(shù)：10.8 板材厚度：1.27mm 用ADS微帶線計(jì)算工具計(jì)算微帶線的參數(shù)。,2020/11/1,MW & Opti. Co

11、mmu. Lab, XJTU,31,高、 低阻抗線的物理長度可以由以下公式得到：,上式中沒有考慮低阻抗線的串聯(lián)電抗和高阻抗線的并聯(lián)電納?？紤]這些因素的影響,高、低阻抗線的長度可調(diào)整為：,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,32,（4）建模仿真,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,33,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,34,作業(yè)：對(duì)下面結(jié)構(gòu)的微帶枝節(jié)低通濾波器的兩種設(shè)計(jì)進(jìn)行原理圖和版圖仿真，并分析其特性。,考慮終端效應(yīng)的終端開路微帶分支線控件：,微帶線控件：,2020/11

12、/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,35,例：設(shè)計(jì)一平行耦合線帶通濾波器，其設(shè)計(jì)指標(biāo)為：通帶3.03.1GHz，帶內(nèi)衰減小于2dB，起伏小于1dB，2.8GHz以下及3.3GHz以上衰減大于40dB，端口反射系數(shù)小于-20dB。,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,36,（1）打開ADS，建立工程,（2）生成原理圖,在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇微帶電路的工具欄,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,37,在工具欄中選擇耦合線Mcfil 、微帶線MLIN 以及控件MSUB 分別放置在繪圖區(qū)中，選擇畫

13、線工具 將電路連接好.,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,38,（3）設(shè)置微帶電路的基本參數(shù),雙擊圖上的控件MSUB設(shè)置微帶線參數(shù) H:基板厚度(0.8 mm) Er:基板相對(duì)介電常數(shù)(4.3) Mur:磁導(dǎo)率(1) Cond:金屬電導(dǎo)率(5.88E+7) Hu:封裝高度(1.0e+33 mm) T:金屬層厚度(0.03 mm) TanD:損耗角正切(1e-4) Roungh:表面粗糙度(0 mm),2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,39,（4）用微帶線計(jì)算工具計(jì)算50ohm、四分之一波長微帶寬度和長度,202

14、0/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,40,（5）設(shè)置微帶器件的參數(shù),雙擊兩邊的引出線TL1、TL2，分別將其寬與長設(shè)為1.52 mm和2.5 mm(其中線長只是暫定，以后制作版圖時(shí)還會(huì)修改)。 平行耦合線濾波器的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，所以五個(gè)耦合線節(jié)中，第1、5及2、4節(jié)微帶線長L、寬W和縫隙S的尺寸是相同的。耦合線的這些參數(shù)是濾波器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的主要參數(shù)，因此要用變量代替，便于后面修改和優(yōu)化。 雙擊每個(gè)耦合線節(jié)設(shè)置參數(shù)，W、S、L分別設(shè)為相應(yīng)的變量，單位mm，其中的W1與W2參數(shù)代表該器件左右相鄰兩側(cè)的微帶器件的線寬，它們用來確定器件間的位置關(guān)系。在設(shè)置W1、W2時(shí)，

15、為了讓它們顯示在原理圖上，要把Display parameter on schematic的選項(xiàng)勾上。,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,41,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,42,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,43,（6）添加變量,單擊工具欄上的VAR 圖標(biāo)，把變量控件VAR放置在原理圖上，雙擊該圖標(biāo)彈出變量設(shè)置窗口，依次添加各耦合線節(jié)的W，L，S參數(shù)。 在name欄中填變量名稱，Variable Value欄中填變量的初值，點(diǎn)擊Add添加變量，然后單擊Opti

16、mization/Statistics Setup按鈕設(shè)置變量的取值范圍，其中的Enabled/Disabled表示該變量是否能被優(yōu)化（見下頁圖）。 耦合線節(jié)的長L約為四分之一波長(根據(jù)中心頻率用微帶線計(jì)算工具算出)，微帶線和縫隙的寬度最窄只能取0.2 mm(最好取0.5 mm以上)。,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,44,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,45,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,46,（7）S參數(shù)仿真電路設(shè)置,2020/11/1,MW & Opti.

17、 Commu. Lab, XJTU,47,（7）優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,48,優(yōu)化方式控件Optim設(shè)置,OptimGoal1設(shè)置,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,49,OptimGoal2設(shè)置,OptimGoal3設(shè)置,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,50,OptimGoal4設(shè)置,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,51,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,

18、52,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,53,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,54,設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后最好先把原理圖存儲(chǔ)一下，然后就可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化了。 點(diǎn)擊工具欄中的Simulate 按鈕就開始進(jìn)行優(yōu)化仿真了。在優(yōu)化過程中會(huì)打開一個(gè)狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化的結(jié)果，其中的CurrentEF表示與優(yōu)化目標(biāo)的偏差，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標(biāo)，0表示達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)，下面還列出了各優(yōu)化變量的值，當(dāng)優(yōu)化結(jié)束時(shí)還會(huì)打開圖形顯示窗口。 在一次優(yōu)化完成后，要點(diǎn)擊原理圖窗口菜單中的Simulate - Update Optimizati

19、on Values保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當(dāng)前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存。 經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化后， CurrentEF的值為0，即為優(yōu)化結(jié)束。優(yōu)化過程中根據(jù)情況可能會(huì)對(duì)優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量的取值范圍、優(yōu)化方法及次數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。,（7）進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,55,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,56,優(yōu)化完成后必須關(guān)掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。方法是點(diǎn)擊原理圖工具欄中的 按鈕，然后點(diǎn)擊優(yōu)化控件OPTIM，則控件上打了紅叉表示已經(jīng)被關(guān)掉。 點(diǎn)擊工具欄中的Simu

20、late按鈕進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后會(huì)出現(xiàn)圖形顯示窗口。,（7）觀察仿真曲線,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,57,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,58,（8）生成版圖,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,59,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,60,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,61,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,62,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,63,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,64,作業(yè)：設(shè)計(jì)一平行耦合線帶通濾波器，其設(shè)計(jì)指標(biāo)為：通帶2.42.5GHz，帶內(nèi)衰減小于2dB，起伏小于1dB，2.3GHz以下及2.7GHz以上衰減大于40dB，端口反射系數(shù)小于-20dB。 板材參數(shù)： H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相對(duì)介電常數(shù)(2.65) Mur:磁導(dǎo)率(1)， Cond:金屬電導(dǎo)率(5.88E+7) Hu:封裝高度(1.0e+33 mm)， T:金屬層厚度(0.035 mm) TanD:損耗角