收信機的階躍阻抗低通濾波器1教材

1、收信機的階躍阻抗低通濾波器的設(shè)計第一部分 試驗箱中的濾波器的分析使用 ADS的 LineCalc 計算軟件進行計算介質(zhì)板的相對介電常數(shù)，經(jīng)過測量得到介質(zhì)板 厚度為 2mm，認為其相對磁導(dǎo)率為 1，微帶線金屬片的厚度為 0.005mm，金屬片的電導(dǎo)率為 4.1e7 ，損耗角正切為 0.002 。在介電常數(shù)為 9.6 、頻率為 500MHz的情況下，得到的微帶線 的寬度為 1.97mm，與介質(zhì)板上的 50 歐姆傳輸線基本符合，故在本次設(shè)計仿真中，采用認為 介電常數(shù)為 9.6 。、根據(jù)測量得到的尺寸進行 ADS仿真1、原理圖2、S參數(shù)仿真結(jié)果三、濾波器的性能分析 由仿真結(jié)果可以看出：濾波器的截止頻率

2、約為970MHz，0-500MHz 通帶內(nèi)最大衰減為0.31dB 。查閱使用說明書可知，微波混頻器的射頻工作頻率： 2-3GHz本振工作頻率： 2-3GHz中頻頻率： 1-500MHz 因此，作為下變頻混頻器的帶外抑制濾波器，其截止頻率只要大于500MHz，并且在 2GHz有較大的插入損耗即可滿足要求。第二部分階躍阻抗低通濾波器的設(shè)計一、實驗原理用微帶線或帶狀線實現(xiàn)低通濾波器的一種相對容易的方法， 是用很高和很低特征阻抗的 傳輸線段交替排列的結(jié)構(gòu)。 像這樣的濾波器通常稱為 階躍阻抗 濾波器。 因為與用短截線制作 的類似的低通濾波器相比，它容易設(shè)計并且結(jié)構(gòu)緊湊，所以較為流行。 然而， 因為它的近

3、似 性，它的電特性不是很好，所以這類濾波器通常限制在不需要有陡峭截止的應(yīng)用中（例如， 在抑制帶外混頻器產(chǎn)物中） 。1、短傳輸線段近似等效電路 1我們首先求找有很高或很低特征阻抗的短傳輸線段的近似等效電路。 特征阻抗為 、長 度為 l 的傳輸線的 ABCD參量為：A= B=jC=j D=然后根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)的參量轉(zhuǎn)換關(guān)系式：求出 Z 參量為：=其 T 型等效電路的串聯(lián)元件是：=jT 型等效電路的并聯(lián)元件是。所以，若 ，則串聯(lián)元件有正電抗（電感） ，而并聯(lián) 元件有負電抗（電容） 。所以我們有圖 1.1（a） 所示的等效電路，其中1.1a)B=(a)(b)（c）1.1b )圖 1.1 短傳輸線段的近似

4、等效電路： （a）傳輸線段的 T 型等效電路；（b）小的 和大的 等效電路；（ c）小的 和小的 等效電路現(xiàn)在假定有短的線長（ ）和大的特征阻抗，則式 （1.1） 可近似簡化為X(1.2a)B0(1.2b)這對應(yīng)于圖 1.1 （b）所示的等效電路（串聯(lián)電感）。對于短的線長和小的特征阻抗， 式（1.1 ）近似簡化為X0(1.3a)B(1.3b)這對應(yīng)于圖 1.1 （c）所示的等效電路（并聯(lián)電路） 。所以低通原型的串聯(lián)電感可以用高阻抗 線段（ = ）代替，而并聯(lián)電容用低阻抗線段（ = ）代替。比數(shù) / 應(yīng)該盡可能大，所以 和 的實際值通常設(shè)置成能實際做到的最高和最低特征阻抗。 為了得到接近截止的最

5、 好響應(yīng)， 線的長度可由式 （1.2 ）和式（1.3 ）決定，該長度應(yīng)該在 = 處計算 。由式（1.2 ）和式（ 1.3 ）的結(jié)果連同定標式可得出電感段的電長度為電容端的電長度為1.4a )1.4b)式中， 是濾波器阻抗， L和 C是低通原型的歸一化元件值（的值）。2、寄生通帶只有當傳輸線段尺寸遠小于波長時， 才維持其半集中參數(shù)的性質(zhì)。 此時所得的低通濾波 器特性才基本上和低通原型濾波器特性相仿。 而當工作頻率遠高于截止頻率時， 其相應(yīng)的波 長就不再遠大于傳輸線段的尺寸， 因而此時半集中參數(shù)關(guān)系已不再維持， 相應(yīng)的濾波特性也 不再和原型濾波器符合了。 即當頻率一直增加時， 衰減并不像原型濾波器

6、那樣一直上升， 而 是在某些頻率范圍會形成一些衰減較小的區(qū)域， 稱為寄生通帶。 因此必須注意： 在電路中應(yīng) 用低通濾波器時，應(yīng)事先估計寄生通帶的位置，使欲截止的頻率不落入寄生通帶內(nèi)。第一個寄生通帶中心頻率所相應(yīng)的波長大約為高阻傳輸線段長度的兩倍2 。二、 ADS仿真1、低通濾波器的設(shè)計指標 具有最平坦相應(yīng) 截止頻率為 800MHz 在 2GHz處的插入損耗必須大于 40dB 阻抗為 50 ，采用 6 階巴特沃茲低通原型， 最高實際線阻抗為 120 ，最低實際線阻抗 為 20，采用的基片參數(shù) d=1.58mm， =4.2， =0.02 ，銅導(dǎo)體的厚度 t=0.035mm。2. 低通原型濾波器設(shè)計

7、2.1 濾波器的設(shè)計步驟 （1）根據(jù)設(shè)計要求確定低通原型的元器件值。2）采用阻抗和頻率定標公式，用低阻抗和高阻抗線段代替串聯(lián)電感和并聯(lián)電容。所需微到。先計算數(shù) n=6。根據(jù)表 2.1 列出低通原型值： =0.5176 ， =1.4142 ， =1.9318 ， =1.9318 ， =1. 4142，=0. 5176。該低通原型電路如圖 2.2 所示。帶線的電長度 l ，以及實際微帶線寬 W和線長 l 可由 ADS軟件中的 LineCalc 工具計算得3）根據(jù)得到的線寬和線長進行建模并仿真計算。2.2 低通原型濾波器設(shè)計從圖 2.1 可以看出，對于 n=6 的曲線，當-1=1.5 時， LA40

8、dB,故最大平坦濾波器級圖 2.1 最平坦濾波器原型的衰減與歸一化頻率的關(guān)系曲線-1= -1=1.5圖 2.2 濾波器低通原型電路N12.01.021.41421.41421.031.02.01.01.040.76541.84781.84780.76541.050.61801.61802.01.61800.61801.060.51761.41421.93181.93181.41420.51761.070.44501.24701.80192.01.80191.24700.44501.080.39021.11111.66291.96151.96151.66291.11110.39021.090.3

9、4731.01.53211.87942.01.87941.53211.00.34731.0100.32190.90801.41421.78201.97541.97541.78201.41420.90800.32191.0表 2.1 巴特沃茲濾波器低通原型元件值（=1， =1，N=1 10)3 濾波器原理圖設(shè)計和仿真（1）由式 1.4 計算出各阻抗線的電長度 ，再使用 LineCalc 在 Freq=800MHz 計算出微帶線 的線寬和線長。結(jié)果如表 2.2 所示。表 2.2 各支節(jié)的寬度和長度2）根據(jù)計算得到的參數(shù)繪制出濾波器的原理圖，如圖2.3 所示。節(jié)數(shù)= 或 （ ）（度）(mm)(mm)

10、1150453.0726.220.5172011.811.26.4631.41412033.80.38221.0541.9322044.311.224.2651.93212046.10.38228.761.4142032.411.217.7570.51712012.30.3827.668150453.0726.2圖 2.3 濾波器的原理圖3）原理圖仿真得到 S21和 S11參數(shù)的矩形圖，如圖 2.4 所示。圖 2.4 濾波器的 S21參數(shù)曲線和 S11 參數(shù)曲線通過仿真可知， 濾波器的各項指標還沒有滿足設(shè)計需求， 這就需要優(yōu)化仿真來使濾波器的 參數(shù)滿足設(shè)計的要求。4、濾波器電路參數(shù)優(yōu)化（1）由

11、于原理圖仿真和實際應(yīng)用時參數(shù)會有一定的偏差，因此在設(shè)定優(yōu)化參數(shù)時，可以適 當增加通帶寬度。這里共設(shè)置了 3 個優(yōu)化目標， OptimGoal1 和 OptimGoal2 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； OptimGoal3 優(yōu)化的是 S11，用來設(shè)定通帶內(nèi) 的反射系數(shù)。完成設(shè)置的目標控件如圖 2.5 所示。圖 2.5 完成設(shè)置的目標控件2）設(shè)置完優(yōu)化目標后保存原理圖，這時原理圖如圖2.6 所示。圖 2.6 設(shè)置完優(yōu)化目標的原理圖0 800MHz )3）優(yōu)化結(jié)束后的 S參數(shù)如圖 2.7 所示，從圖中可以看出，濾波器在通帶內(nèi)（ 衰減小于 0.792dB，

12、阻帶（ 2 3GHz ）衰減大于 40dB 滿足設(shè)計要求。濾波器在通帶內(nèi) S11小 于 20dB 滿足設(shè)計要求。圖 2.7 S 11 和 S21 參數(shù)曲線5、版圖仿真ADS版圖采用矩量法( Mom)進行電磁仿真，器仿真結(jié)果比在原理圖中仿真更為準確。實 際電路的性能可能會與原理圖仿真結(jié)果有一定差異， 因此需要在 ADS中進行版圖仿真后才能 制作電路板。由濾波器原理圖生成的版圖如圖 2.8 所示。圖 2.8 原理圖生成的版圖版圖仿真結(jié)果如圖 2.9 所示。圖 2.9 版圖仿真結(jié)果從圖中可以看出，濾波器通帶內(nèi)( 0 800MHz)插入損耗小于 1.3dB ，反射系數(shù)小于-11.8dB ，在 1.85 2.84GHz 之間插入損耗大于 40dB，滿足了設(shè)計要求。6、選用高阻抗線阻抗為 100，低阻抗線阻抗為 30 時，濾波器的性能比較。各支節(jié)的寬度和長度節(jié)數(shù)= 或 （ ）（度）(mm)(mm)1150453.0726.220.5173017.86.61031.41410040.50.68724.8841.9323066.46.637.251.93210055.30.68733.9761.414