切比雪夫帶通濾波器[高等教育]

1、課程設(shè)計(jì)題 目 切比雪夫帶通濾波器的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 所在院(系) 物理與電信工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 電子1104 指導(dǎo)教師 聶翔 完成地點(diǎn) 博遠(yuǎn)樓計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室 2014年1月08日教輔工具b摘要微波濾波器在衛(wèi)星通信、雷達(dá)技術(shù)、電子對(duì)抗及微波測(cè)量?jī)x器中都有廣泛的應(yīng)用。無(wú)論是發(fā)射機(jī)還是接收機(jī)，都需要選擇特定頻率的信號(hào)進(jìn)行處理，濾除其他頻率的干擾信號(hào)，這就需要使用濾波電路來(lái)分離有用信號(hào)和干擾信號(hào)。切比雪夫?yàn)V波器在過(guò)渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦，切比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小。本文借助ADS2008仿真軟件，設(shè)計(jì)出一種切比雪夫帶通濾波器，簡(jiǎn)化

2、了設(shè)計(jì)步驟，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。關(guān)鍵字：ADS軟件 帶通濾波器 切比雪夫目錄1設(shè)計(jì)方法與參數(shù)31.1將帶通原型參數(shù)變換為低通原型參數(shù)；31.2參數(shù)計(jì)算32軟件仿真42.1創(chuàng)建項(xiàng)目42.2利用ADS的計(jì)算工具tools完成對(duì)微帶濾波器的計(jì)算52.3設(shè)計(jì)原理圖52.4原理圖仿真62.5原理圖優(yōu)化82.6版圖生成與仿真123設(shè)計(jì)心得：13參考文獻(xiàn)14教輔工具b1設(shè)計(jì)方法與參數(shù) 設(shè)計(jì)帶通濾波器的方法有很多種，但最為產(chǎn)檢的是低通原型濾波器綜合法和數(shù)值法，這兩種方法與設(shè)計(jì)師多種可能解決方案之間的抉擇緊密關(guān)聯(lián)。相對(duì)與巴特沃茲濾波器，切比雪夫?yàn)V波器具有的較窄的過(guò)渡帶，但這是以犧牲濾波器通帶和阻帶的波紋性換來(lái)的。主

3、要的技術(shù)指標(biāo)：（1）中心頻率:2.5GHz;（中心頻率，、分別為帶通濾波器的上、下邊界頻率。）（2）輸入輸出阻抗：50；（3）帶內(nèi)波動(dòng): 3dB;（通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量）（4）相對(duì)帶寬：20%;（信號(hào)帶寬與中心頻率之比）（5）階數(shù)：3階1.1將帶通原型參數(shù)變換為低通原型參數(shù)；由低通原型濾波器變換為帶通濾波器的公式為：；其中為帶通濾波器中心頻率，、分別為帶通濾波器的上、下邊界頻率。BW為濾波器的帶寬BW=-。 依據(jù)切比雪夫低通濾波器原型的歸一化元件值可得：3階帶通濾波器元件值依次為：g0=1.0、g1=1.5963、g2=1.0967、g3=1.5963、g4=1.0。 1.2參數(shù)計(jì)算使

4、用歸一化設(shè)計(jì)參數(shù)g1-g4和歸一化帶寬BW可以得到通帶濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)由上式的通帶電路設(shè)計(jì)參數(shù)可以得到奇模和偶模特征阻抗，其值為：式中為特征阻抗，取值為50，將g0=1.0、g1=1.5963、g2=1.0967、g3=1.5963、g4=1.0帶入上述式中依次得到：=0.0140、=0.0119、=0.0119、=0.0140解出特征阻抗為：奇模：=39.50、=37.95、=37.95、=39.50偶模：=109.50、=97.45、=97.45、=109.502軟件仿真2.1創(chuàng)建項(xiàng)目 啟動(dòng)ADS軟件，彈出主視窗。選擇主視窗中的【file】菜單-【new project】，彈出【new p

5、roject】對(duì)話框，在【new project】對(duì)話框輸入項(xiàng)目名稱和這個(gè)項(xiàng)目默認(rèn)的長(zhǎng)度單位。 2.2利用ADS的計(jì)算工具tools完成對(duì)微帶濾波器的計(jì)算ADS軟件中的工具tools，可以對(duì)不同類(lèi)型的傳輸線進(jìn)行計(jì)算，使用者可以利用計(jì)算工具提供的圖形化界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于平行耦合微帶線來(lái)說(shuō)，可以進(jìn)行物理尺寸和電參數(shù)之間的數(shù)值計(jì)算，若給定平行耦合微帶線奇模和偶模的特性阻抗，可以計(jì)算平行耦合微帶線導(dǎo)體帶的角度和間隔距離。下面利用ADS軟件提供的計(jì)算工具，完成對(duì)平行耦合微帶線的計(jì)算。在原理圖上，選擇【tools】菜單-【LineCalc】-【Start LineCalc】命令，彈出【LineCalc】計(jì)

6、算窗口。如圖示。設(shè)置所需參數(shù)。在【LineCalc】計(jì)算窗口選擇如下： Er=2.7，表示微帶線基板的相對(duì)介電常數(shù)為2.7。 Mur=1，表示微帶線的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。 H=1mm，表示微帶線基板的厚度為1mm。 Hu=1.0e+033，表示微帶線的封裝高度為1.0e+033。 T=0.05mm，表示微帶線的導(dǎo)體厚度為0.05mm。 Cond=5.8E+7，表示微帶線導(dǎo)體的電導(dǎo)率為5.8E+7。 TanD=0.0003，表示微帶線的損耗角正切為0.0003. Freq=2.4GHZ，表示計(jì)算時(shí)采用的頻率為2.4GHZ. Ze，表示計(jì)算時(shí)偶模的特性阻抗。 Zo，表示計(jì)算時(shí)奇模的特性阻抗。2.3設(shè)計(jì)

7、原理圖在原理圖的元件面板列表中，選擇【TLines-Microstrip】，元件面板上出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的元件圖標(biāo)。在元件面板上選擇Mcfil，4次插入原理圖的畫(huà)圖區(qū)，可以設(shè)置這段微帶線的導(dǎo)體帶寬度W，導(dǎo)體帶間隔S和長(zhǎng)度L。分別雙擊畫(huà)圖區(qū)的4個(gè)Mcfil，將4個(gè)Mcfil的數(shù)值根據(jù)列表中的數(shù)值設(shè)置，在微帶線元件面板上選擇MLIN，兩次插入原理圖的畫(huà)圖區(qū)，MLIN是一段長(zhǎng)度的微帶線，可以設(shè)置這段微帶線的寬度W和長(zhǎng)度L。分別雙擊可以設(shè)置。選擇S參數(shù)仿真元件面板，在元件面板上選擇負(fù)載終端Term，兩次插入原理圖，再插入兩次地線，完成連線如下圖2.4原理圖仿真在仿真之前，首先設(shè)置S參數(shù)仿真控件SP，SP對(duì)原理圖

8、中的仿真參量給出取值范圍，當(dāng)S參數(shù)仿真控件SP確定后，就可以仿真了。在S參數(shù)仿真元件面板【Simulation-S_Param】上，選擇S參數(shù)仿真控件SP，插入原理圖區(qū)，對(duì)S參數(shù)控件設(shè)置如下start=1.0GHz，stop=4GHz，step=20MHz仿真后波形如下序號(hào)頻率dB(S(2，1)M11.940GHz0.571M22.900GHz0.579M32.440GHz0.530從圖中得中心頻率為2.44，出現(xiàn)偏移，且通帶帶寬太大，帶內(nèi)紋波和衰減不滿足要求，所以要進(jìn)行優(yōu)化。2.5原理圖優(yōu)化 修改平行微帶線段的取值方式，將平行耦合微帶線段的導(dǎo)體帶寬度W、兩個(gè)導(dǎo)體帶的間隔S和耦合微帶線的長(zhǎng)度L

9、設(shè)置為變量，并設(shè)置相鄰平行耦合微帶線的尺寸，分別在下面窗口中設(shè)置4段微帶線設(shè)置完成后，在原理圖的工具欄選擇【VAR】按鈕，插入原理圖的畫(huà)圖區(qū)。在畫(huà)圖區(qū)雙擊VAR，彈出【Variables and Equations】對(duì)話框，在對(duì)話框中對(duì)變量w1、s1、l1、w2、s2、l2的范圍進(jìn)行設(shè)置得到在原理圖中插入優(yōu)化控件Optim，雙擊優(yōu)化控件Optim，設(shè)置優(yōu)化次數(shù)為100次在原理圖中插入3個(gè)目標(biāo)控件GOAL,雙擊設(shè)置如下最后所得的優(yōu)化原理圖為得到仿真的波形圖如下，如上圖所示，優(yōu)化后并不滿足設(shè)計(jì)要求。最后通過(guò)工具欄中【Simulate】【Tuning】進(jìn)行調(diào)諧。如下圖所示：得到仿真圖如下：S11：端

10、口2匹配時(shí)，端口1的反射系數(shù)；S22：端口1匹配時(shí)，端口2的反射系數(shù)；S12：端口1匹配時(shí)，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)；S21：端口2匹配時(shí)，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)；對(duì)于互易網(wǎng)絡(luò)，有：S12S21；對(duì)于對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)，有：S11S22 序號(hào)頻率Db(S(2,1)M12.240GHz-0.566M22.760GHz-0.470M32.400GHz-3.410M42.500GHz-2.324 從上表可以看出：M4為中心頻率為2.5GHz在中心，滿足技術(shù)指標(biāo)，M1為上邊頻2.24GHz，M2為下邊頻2.76GHz，滿足技術(shù)指標(biāo)由M2和M3得帶內(nèi)波紋為2.940dB相對(duì)帶寬20%滿足技術(shù)指標(biāo)（2.2

11、4-2.76GHz）2.6版圖生成與仿真（1）在原理圖視窗上，單擊原理圖工具欄中的【Deactive or Active Component】按鈕，然后單擊兩個(gè)端口的Term、接地、和優(yōu)化控件，去掉階梯阻抗帶通濾波器兩個(gè)端口的Term、接地和優(yōu)化控件，不讓它們出現(xiàn)在生成的班圖中。（2）選擇原理圖上的【Layout】菜單【Generate/Update Layout】，彈出【Generate/Update Layout】設(shè)置窗口，單擊窗口上的【OK】按鈕。默認(rèn)它的設(shè)置。（3）完成版圖的生成過(guò)程后，版圖視窗會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，畫(huà)圖區(qū)會(huì)顯示剛剛生成的版圖，如圖所示。原理圖中構(gòu)成濾波器電路的各種微帶線元件模型

12、，在版圖中已經(jīng)轉(zhuǎn)化成實(shí)際微帶線。（4）選擇版圖工具欄上的端口Port，兩次插入版圖，輸入端口設(shè)置為端口1，輸出端口設(shè)置為端口2.（5）下面設(shè)置微帶線的基本參數(shù)。為了使版圖的仿真結(jié)果有效，必須使版圖中微帶線的基本參數(shù)與原理圖中微帶線的基本參數(shù)一致。選擇版圖視窗中的【Momentum】菜單【Substrate】【Update From Schematic】命令，從原理圖視窗得到微帶線的基本參數(shù)。3設(shè)計(jì)心得：本文以切比雪夫帶通濾波器原理為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)方法與利用微波電路仿真工具設(shè)計(jì)濾波器的方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一個(gè)相對(duì)帶寬為20%的切比雪夫帶通濾波器，并給出仿真結(jié)果，同時(shí)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明利用這種方法設(shè)計(jì)的切比雪夫帶通濾波器達(dá)到了要求的指標(biāo)，本次的設(shè)計(jì)是我們?cè)趯W(xué)習(xí)ADS2008的基礎(chǔ)上跟同組同學(xué)的討論，設(shè)計(jì)，遇到問(wèn)題大家一起解決，也讓我學(xué)到了與同學(xué)之間的合作。本次設(shè)計(jì)遇到的難題是優(yōu)化的時(shí)候，首先進(jìn)行自動(dòng)各個(gè)值設(shè)計(jì)為變量，并輸入優(yōu)化范圍，如果還達(dá)不到要求，可以把優(yōu)化范圍擴(kuò)大，優(yōu)化次數(shù)加大，如果還沒(méi)達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，可以進(jìn)行手動(dòng)優(yōu)化，本次我們?cè)O(shè)計(jì)采用自動(dòng)優(yōu)化和手動(dòng)優(yōu)化相結(jié)合。參考文獻(xiàn) 1、徐興福編著ADS2008射頻電路與仿真實(shí)例 電子工業(yè)出版社 2