微帶濾波器的設(shè)計(jì)

1、.解析微帶濾波器的設(shè)計(jì)微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號， 使其不能通過濾波器， 只讓需要的信號通過。在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對電路的性能指標(biāo)有很大的影響，因此如何設(shè)計(jì)出一個(gè)具有高性能的濾波器，對設(shè)計(jì)微波電路系統(tǒng)具有很重要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來在微波電路系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應(yīng)用之一，因此本節(jié)將重點(diǎn)研究如何設(shè)計(jì)并優(yōu)化微帶濾波器。濾波器（filter），是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路，就是濾波器，其功

2、能就是得到一個(gè)特定頻率或消除一個(gè)特定頻率。1 微帶濾波器的原理微帶濾波器當(dāng)中最基本的濾波器是微帶低通濾波器，而其它類型的濾波器可以通過低通濾波器的原型轉(zhuǎn)化過來。最大平坦濾波器和切比雪夫?yàn)V波器是兩種常用的低通濾波器的原型。微帶濾波器中最簡單的濾波器就是用開路并聯(lián)短截線或是短路串聯(lián)短截線來代替集總元器件的電容或是電感來實(shí)現(xiàn)濾波的功能。這類濾波器的帶寬較窄，雖然不能滿足所有的應(yīng)用場合，但是由于它設(shè)計(jì)簡單，因此在某些地方還是值得應(yīng)用的。微帶濾波器是在印刷電路板上，根據(jù)電路的要求以及頻率的分布參數(shù)印刷在電路板上的各種不同的線條形成的LC分布參數(shù)的濾波器。2 濾波器的分類最普通的濾波器的分類方法通?？煞譃?/p>

3、低通、高通、帶通及帶阻四種類型。圖12.1給出了這四種濾波器的特性曲線。低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。按濾波器的頻率響應(yīng)來劃分，常見的有巴特沃斯型、切比雪夫型、切比雪夫型及等；按濾波器的構(gòu)成元件來劃分，則可分為有源型及無源型兩類；按濾波器的制作方法和材料可分為波導(dǎo)濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器。巴特沃斯濾波器是電子濾波器的一種。巴特沃斯濾波

4、器的特點(diǎn)是通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑。這種濾波器最先由英國工程師斯替芬巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年發(fā)表在英國無線電工程期刊的一篇論文中提出的。切比雪夫?yàn)V波器，又名車比雪夫?yàn)V波器,是在通帶或阻帶上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動(dòng)的濾波器。切比雪夫?yàn)V波器來自切比雪夫分布，以切比雪夫命名，是用以紀(jì)念俄羅斯數(shù)學(xué)家巴夫尼提列波維其切比雪夫（ ）。3 微帶濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)微帶濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要包括：1絕對衰減（Absolute attenuation）：阻帶中最大衰減（dB）。2帶寬（bandwidth）：通帶的3dB帶寬（flow-fhigh）。帶寬（band width）又叫

5、頻寬，是指在固定的的時(shí)間可傳輸?shù)馁Y料數(shù)量，亦即在傳輸管道中可以傳遞數(shù)據(jù)的能力。在數(shù)字設(shè)備中，頻寬通常以bps表示，即每秒可傳輸之位數(shù)。在模擬設(shè)備中，頻寬通常以每秒傳送周期或赫茲 （Hz）來表示。亦稱譜帶半寬度（half bandwidth）或有效帶寬。無論儀器中光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量多么高，經(jīng)單色器單色化后的光總是有一定的波長（寬度）范圍，即具有以所指定波長（額定波長）為中心分布的一定波長范圍。通帶即指最大吸光度值的一半處的譜帶寬度。3中心頻率：fc或f0.每頻程的上限與下限頻率的幾何平均值稱為該頻程的中心頻率。4截止頻率：下降沿3dB點(diǎn)頻率。用來說明電路頻率特性指標(biāo)的特殊頻率。當(dāng)保持電路輸入信號的幅

6、度不變，改變頻率使輸出信號降至最大值的0.707倍，或某一特殊額定值時(shí)該頻率稱為截止頻率。5每倍頻程衰減（dB/Octave）：離開截止頻率一個(gè)倍頻程衰減（dB）。6微分時(shí)延（differential delay）：兩特定頻率點(diǎn)群時(shí)延之差以ns計(jì)。7群時(shí)延（Groupdelay）：任何離散信號經(jīng)過濾波器的時(shí)延（ns）。群時(shí)延即系統(tǒng)在某頻率處的相位（相移）對于頻率的變化率。8插入損耗（insertion loss）：當(dāng)濾波器與設(shè)計(jì)要求的負(fù)載連接，通帶中心衰減，dB9帶內(nèi)波紋（passband ripple）：在通帶內(nèi)幅度波動(dòng)，以dB計(jì)。10相移（phase shift）：當(dāng)信號經(jīng)過濾波器引起的相

7、移。11品質(zhì)因數(shù)Q（quality factor）：中心頻率與3dB帶寬之比。電學(xué)和磁學(xué)的量。表征一個(gè)儲(chǔ)能器件（如電感線圈、電容等）、諧振電路所儲(chǔ)能量同每周損耗能量之比的一種質(zhì)量指標(biāo)。元件的Q值愈大，用該元件組成的電路或網(wǎng)絡(luò)的選擇性愈佳。12反射損耗（Return loss）13形狀系數(shù)（shape factor）：定義為。14止帶（stop band或rejectband）：對于低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定點(diǎn)（如60dB點(diǎn)）的帶寬。工程應(yīng)用中，一般要求我們重點(diǎn)考慮通帶邊界頻率與通帶衰減、阻帶邊界頻率與阻帶衰減、通帶的輸入電壓駐波比、通帶內(nèi)相移與群時(shí)延、寄生通帶。前兩項(xiàng)是描述衰減特性的

8、，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性能和種類（高通、低通、帶通、帶阻等）；輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小；群時(shí)延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為 dU/df ,群時(shí)延為常數(shù)時(shí)，信號通過網(wǎng)絡(luò)才不會(huì)產(chǎn)生相位失真；寄生通帶是由于分布參數(shù)傳輸線的周期性頻率特性引起的，它是離設(shè)計(jì)通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計(jì)時(shí)要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。4 微帶濾波器的設(shè)計(jì)通帶是兩個(gè)截止頻率之間的頻率范圍。在截止頻率點(diǎn)，輸出信號幅值下降到其最大值的0.707倍。本小節(jié)設(shè)計(jì)一個(gè)微帶低通濾波器，濾波器的指標(biāo)如下：通帶截止頻率：3GHz.通帶增益：大于-5dB,主要由濾波器的S21參數(shù)確定。阻帶增益：在

9、4.5GHz以上小于-48dB,也主要由濾波器的S21參數(shù)確定。通帶反射系數(shù)：小于-22dB,由濾波器的S11參數(shù)確定。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)。S21（S12）是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及增益、衰減全都表現(xiàn)在S21（S12）隨頻率變化的曲線上。S11（S22）參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，如果反射系數(shù)過大，就會(huì)導(dǎo)致反射損耗增大，影響系統(tǒng)的前后級匹配，使系統(tǒng)性能下降。了解了濾波器的設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)指標(biāo)后，下面開始設(shè)計(jì)微帶低通濾波器。4.1建立工程新建工程，選擇【File】【New Project】，系統(tǒng)出現(xiàn)新建工程對話框。在name欄中輸入工程名：mic

10、rostrip_filter,并在Project Technology Files欄中選擇ADS Standard:Length unit-millimet,默認(rèn)單位為mm,如圖12.2所示。單擊OK,完成新建工程，此時(shí)原理圖設(shè)計(jì)窗口會(huì)自動(dòng)打開。4.2原理圖和電路參數(shù)設(shè)計(jì)工程文件創(chuàng)立完畢后，下面介紹微帶低通濾波器的原理圖設(shè)計(jì)過程。1）在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇TLines-Microstrip元件面板列表，窗口左側(cè)的工具欄變?yōu)槿鐖D12.3所示。并選擇6個(gè)MLIN、5個(gè)MLOC、1個(gè)MSUB按照圖12-4所示的方式連接起來。2）設(shè)置圖12-4中的控件MSUB微帶線參數(shù)H:基板厚度（0.1 mm）Er

11、:基板相對介電常數(shù)（2.16）Mur:磁導(dǎo)率（1）Cond:金屬電導(dǎo)率（6.14E+7）Hu:封裝高度（1.0e+33 mm）T:金屬層厚度（0.001 mm）TanD:損耗角正切（1e-3）Roungh:表面粗糙度（0 mm）完成設(shè)置的MSUB控件如圖12.5所示。3）濾波器兩端的引出線是50 Ohm的微帶線，它的寬度W可由微帶線計(jì)算工具算出。選擇【Tools】【LineCalc】【Start LineCalc】命令。在打開的窗口中輸入如圖12-6所示的內(nèi)容。在Substrate Parameters欄中填入與MSUB相同的微帶線參數(shù)。在Component Parameters欄中填入中心頻

12、率（本例為3.0GHz）。Physical欄中的W和L分別表示微帶線的寬和長。Electrical欄中的Z0和E_Eff分別表示微帶線的特性阻抗和相位延遲，點(diǎn)擊Synthesize和Analyze欄中的和箭頭，可以進(jìn)行W、L與Z0、E_Eff間的相互換算。本例中Z0為50Ohm,E_Eff為45deg,W為0.31008mm,L為9.18284mm.另外打開的一個(gè)窗口顯示當(dāng)前運(yùn)算狀態(tài)以及錯(cuò)誤信息，如圖12.7所示。4）雙擊兩邊的引出線TL1、TL6,分別將其寬與長設(shè)為0.31006 mm和1.5 mm.其余的微帶線長度設(shè)為9.18284,寬度是濾波器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的主要參數(shù)，因此要用變量代替，便于

13、后面修改和優(yōu)化。雙擊每個(gè)微帶線設(shè)置參數(shù)，W分別設(shè)為相應(yīng)的變量，單位mm.在設(shè)置寬度的5個(gè)變量時(shí)，為了讓它們顯示在原理圖上，要把Display parameter on schematic的選項(xiàng)勾上。設(shè)置完變量的原理圖如圖12.8所示。5）由于原理圖中的MLIN和MLOC的寬度都是變量，因此需要在原理圖中添加一個(gè)變量控件。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，依次添加各微帶線的W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Tune/Opt/Stat/DOE Setup按鈕設(shè)置變量的取值

14、范圍，其中的Enabled/Disabled表示該變量是否能被優(yōu)化，Minimum Value表示可優(yōu)化的最小值Maximum Value表示可優(yōu)化的最大值，如圖12.9,12.10所示。微帶濾波器中微帶線的變量值及優(yōu)化范圍設(shè)置如下。W1=0.1679 opt 0.1 to 2 ,表示W(wǎng)1的默認(rèn)值為0.1679,變化范圍為0.1到2.W2=0.4772 opt 0.1 to 2 ,表示W(wǎng)2的默認(rèn)值為0.4772,變化范圍為0.1到2.W3=0.5124 opt 0.1 to 2 ,表示W(wǎng)3的默認(rèn)值為0.5124,變化范圍為0.1到2.W4=0.1269 opt 0.1 to 2 ,表示W(wǎng)4的默

15、認(rèn)值為0.1269,變化范圍為0.1到2.W5=0.1203 opt 0.1 to 2 ,表示W(wǎng)5的默認(rèn)值為0.1203,變化范圍為0.1到2.這樣一個(gè)完整的微帶低通濾波器的電路就完成了，如圖12.11所示。4.3 S參數(shù)仿真設(shè)置和原理圖仿真在執(zhí)行仿真之前，先進(jìn)行S參數(shù)仿真設(shè)置。1）S參數(shù)仿真設(shè)置在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇S參數(shù)仿真工具欄，Simulation-S_Param.選擇Term放置在濾波器兩邊，用來定義端口1和2,并放置兩個(gè)地，按照圖12.12連接好電路。選擇S參數(shù)掃描控件放置在原理圖中，并設(shè)置掃描的頻率范圍和步長。雙擊S參數(shù)仿真控制器，參數(shù)設(shè)置如下。Start=0 GHz,表示頻率掃

16、描的起始頻率為0 GHz.Stop=5 GHz,表示頻率掃描的終止頻率為5 GHz.Step=0.01 GHz,表示頻率掃描的頻率間隔為0.01 GHz.完成參數(shù)設(shè)置的S參數(shù)仿真控制器如圖12.13所示。調(diào)整電路原理圖和各種控件，最終得到的電路原理圖如圖12.14所示。這樣就完成了微帶低通濾波器S參數(shù)的仿真設(shè)置，下面開始對濾波器進(jìn)行仿真。2） 原理圖仿真單擊工具欄上的simulate按鈕或是點(diǎn)擊simulatesimulate,當(dāng)仿真結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出一個(gè)數(shù)據(jù)顯示窗口，在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個(gè)S21參數(shù)的矩形圖，再點(diǎn)擊makerNew,可在圖中加一標(biāo)記，如圖12.15所示。從圖中可以看出，

17、S21參數(shù)曲線是一個(gè)低通濾波器的形狀，但是與設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求還有一定的差距。以同樣的方式插入一個(gè)S11參數(shù)的矩形圖，加上一個(gè)Marker點(diǎn)，如圖12.16所示。4.4參數(shù)由于濾波器的參數(shù)并未達(dá)到指標(biāo)要求，因此需要優(yōu)化電路參數(shù)，使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化電路參數(shù)的具體步驟如下：1） 在原理圖設(shè)計(jì)窗優(yōu)化電路口中選擇優(yōu)化面板列表optim/stat/Yield/DOE,在列表中選擇優(yōu)化控件optim,雙擊該控件設(shè)置優(yōu)化方法和優(yōu)化次數(shù)，常用的優(yōu)化方法有Random（隨機(jī)）、Gradient（梯度）等。隨機(jī)法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。設(shè)置完成的控件如圖12.17所示。2）在優(yōu)化面板列表中選擇優(yōu)

18、化目標(biāo)控件Goal放置在原理圖中，雙擊該控件設(shè)置其參數(shù)，如圖12.18所示。Expr是優(yōu)化目標(biāo)名稱，其中dB（S（2,1）表示以dB為單位的S21參數(shù)的值。SimlnstanceName是仿真控件名稱，這里選擇SP1Min和Max是優(yōu)化目標(biāo)的最小與最大值。Weight是指優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重。RangeVar是優(yōu)化目標(biāo)所依賴的變量，這里為頻率freq.RangeMin和RangeMax是上述變量的變化范圍。這里總共設(shè)置了三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，前二個(gè)的優(yōu)化參數(shù)都是S21,用來設(shè)定濾波器的通帶和阻帶的頻率范圍及衰減情況，最后一個(gè)的優(yōu)化參數(shù)是S11,用來設(shè)定通帶內(nèi)的反射系數(shù)（這里要求小于-25dB），具體如圖12

19、.19所示。3）設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后把原理圖存儲(chǔ)一下，然后點(diǎn)擊工具欄中的Simulate按鈕開始進(jìn)行優(yōu)化仿真。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（如圖12.20），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)打開數(shù)據(jù)顯示窗口,如圖12.21所示。需要注意的是在一次優(yōu)化完成后，要點(diǎn)擊原理圖窗口菜單中的Simulate - Update Optimization 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。如果一次優(yōu)化不能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，根據(jù)情況

20、需要對優(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，經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化后，當(dāng)CurrentEf的值為0,即為優(yōu)化結(jié)束。4）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。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。5）點(diǎn)擊工具欄中的Simulate按鈕進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示窗口。在數(shù)據(jù)顯示窗口觀察濾波器的S11和S21曲線，其結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果相同。4.5其他參數(shù)在進(jìn)行原理圖仿真時(shí)，還可以看到濾波器的群時(shí)延以及輸入的電壓駐波比等參數(shù)。雙擊S參數(shù)控件，在其設(shè)置窗口的Parameters選項(xiàng)卡中勾上Group delay選項(xiàng)，就會(huì)在仿真時(shí)計(jì)

21、算群時(shí)延。把左側(cè)工具欄設(shè)為Simulation-S_param,并把VSWR控件放置在原理圖中，即可計(jì)算輸入駐波比。VSWR翻譯為電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio），一般簡稱駐波比。 電磁波從甲介質(zhì)傳導(dǎo)到乙介質(zhì)，會(huì)由于介質(zhì)不同，電磁波的能量會(huì)有一部分被反射，從而在甲區(qū)域形成行駐波. 電壓駐波比，指的就是行駐波的電壓峰值與電壓谷值之比，此值可以通過反射系數(shù)的模值計(jì)算： VSWR=（1+反射系數(shù)模值）/（1-反射系數(shù)模值）。 而入射波能量與反射波能量的比值為 1:（反射系數(shù)模的平方） 由上可知，駐波比越大，反射功率越高，傳輸效率越低。要觀察這兩個(gè)參數(shù)的曲線，只需在

22、仿真后出現(xiàn)的圖形顯示窗口中添加delay（2,1）及VSWR的曲線即可。當(dāng)優(yōu)化完成后，還可以把S參數(shù)仿真的頻率范圍加大，看看濾波器的寄生通帶出現(xiàn)在什么頻率上。4.6 版圖的生成與仿真原理圖的仿真是在完全理想的狀態(tài)下進(jìn)行的，而實(shí)際電路板的制作往往和理論有較大的差距，這就需要我們考慮一些干擾、耦合等外界因素的影響。先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced Design System），簡稱ADS,是安捷倫科技有限公司（Agilent）為適應(yīng)競爭形勢，為了高效的進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)，而設(shè)計(jì)開發(fā)的一款EDA軟件。軟件迅速成為工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域EDA軟件的佼佼者，因其強(qiáng)大的功能、豐富的模板支持和高效準(zhǔn)確的仿真能力（尤其在射

23、頻微波領(lǐng)域），而得到了廣大IC設(shè)計(jì)工作者的支持。 ADS是高頻設(shè)計(jì)的工業(yè)領(lǐng)袖。ADS電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化功能十分強(qiáng)大，包含時(shí)域電路仿真 （SPICE-like Simulation）、頻域電路仿真 （Harmonic Balance、Linear Analysis）、三維電磁仿真 （EM Simulation）、通信系統(tǒng)仿真（Communication System Simulation）、數(shù)字信號處理仿真設(shè)計(jì)（DSP）；ADS支持射頻和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師開發(fā)所有類型的RF設(shè)計(jì)，從簡單到復(fù)雜，從離散的射頻/微波模塊到用于通信和航天/國防的集成MMIC,是當(dāng)今國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的微波/射頻電路和通

24、信系統(tǒng)仿真軟件軟件。1） 版圖的生成版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計(jì)算比較復(fù)雜，需要較長的時(shí)間，可作為對原理圖設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。首先要由原理圖生成版圖，生成版圖前先要把原理圖中用于S參數(shù)仿真的兩個(gè)Term以及接地去掉，不讓他們出現(xiàn)在生成的版圖中。去掉的方法與前面關(guān)掉優(yōu)化控件的相同，都是使用按鈕，把這些元件打上紅叉。然后點(diǎn)擊菜單中的Layout - Generate/Update Layout,彈出一個(gè)設(shè)置窗口（如圖12.22），直接點(diǎn)OK,又出現(xiàn)一個(gè)窗口（如圖12.23），再點(diǎn)OK,完成版圖的生成，這時(shí)會(huì)打開一個(gè)顯示版圖的窗口，里面有剛生成的版圖（

25、如圖12.24） .版圖生成后先要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)（即原理圖中MSUB里的參數(shù)），點(diǎn)擊版圖窗口菜單中的Momentum - Substrate - Update From Schematic從原理圖中獲得這些參數(shù)，點(diǎn)擊Momentum - Substrate - Create/Modify可以修改這些參數(shù)。為了進(jìn)行S參數(shù)仿真，需要在濾波器兩側(cè)添加兩個(gè)端口，點(diǎn)擊工具欄上的Port按鈕，彈出port設(shè)置窗口，點(diǎn)擊OK關(guān)閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別點(diǎn)擊添加上兩個(gè)port端口。2） 版圖的仿真點(diǎn)擊Momentum - Simulation - S-parameter彈出仿真設(shè)置窗口，該窗口右側(cè)的Sw