微波濾波器的設(shè)計制作與調(diào)試

1、1微波實驗匯報之微波實驗匯報之 微波濾波器的設(shè)計制作與調(diào)試微波濾波器的設(shè)計制作與調(diào)試21、 了解微波濾波電路的原理及設(shè)計了解微波濾波電路的原理及設(shè)計方法。方法。2 2、學習使用學習使用ADSADS軟件進行微波電路的軟件進行微波電路的設(shè)計，優(yōu)化，仿真。設(shè)計，優(yōu)化，仿真。3 3、掌握微帶濾波器的制作及調(diào)試方法掌握微帶濾波器的制作及調(diào)試方法。一、實驗目的一、實驗目的3 1、使用使用ADSADS軟件設(shè)計一個微帶帶通軟件設(shè)計一個微帶帶通濾波器，并對其參數(shù)進行優(yōu)化、仿濾波器，并對其參數(shù)進行優(yōu)化、仿真。真。2 2、了解各參數(shù)的物理意義，掌握、了解各參數(shù)的物理意義，掌握物理概念。物理概念。二、實驗內(nèi)容二、實驗

2、內(nèi)容41 1、試驗中微帶帶通濾波器及其等效電路，試驗中微帶帶通濾波器及其等效電路，它由平行的耦合線節(jié)相連組成，并且是左它由平行的耦合線節(jié)相連組成，并且是左右對稱的，每一個耦合線節(jié)長度約為四分右對稱的，每一個耦合線節(jié)長度約為四分之一波長之一波長( (對中心頻率而言對中心頻率而言) )，構(gòu)成諧振電，構(gòu)成諧振電路。路。 三、實驗設(shè)計原理三、實驗設(shè)計原理5本實驗中濾波器有五個耦合線節(jié)，在濾波本實驗中濾波器有五個耦合線節(jié)，在濾波器兩端的兩條引出線是特性阻抗為器兩端的兩條引出線是特性阻抗為50歐姆歐姆的微帶線。由微帶線計算工具得到：微帶的微帶線。由微帶線計算工具得到：微帶線的線寬線的線寬1.52 mm和長

3、度和長度13.63 mm(四分之四分之一波長一波長)。6在進行設(shè)計時，主要是以濾波器的S S參參數(shù)作為優(yōu)化目標進行優(yōu)化仿真。數(shù)作為優(yōu)化目標進行優(yōu)化仿真。S S參數(shù)，即散射矩陣。是建立在入射波參數(shù)，即散射矩陣。是建立在入射波與反射波的關(guān)系基礎(chǔ)上網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。該實與反射波的關(guān)系基礎(chǔ)上網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。該實驗中驗中S11S11，S12,S21S12,S21，S22S22即為雙口網(wǎng)絡(luò)即為雙口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣。的散射矩陣。7各參數(shù)物理意義各參數(shù)物理意義8詳細的：詳細的：S21(S12)S21(S12)是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在S

4、21(S12)隨頻率變化曲線的形狀上。S11(S22)S11(S22)參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，由它可以換算出輸入、輸出端的電壓駐波比。由它可以換算出輸入、輸出端的電壓駐波比。如果反射系數(shù)過大，就會導致反射損耗增大，如果反射系數(shù)過大，就會導致反射損耗增大，并且影響系統(tǒng)的前后級匹配，使系統(tǒng)性能下并且影響系統(tǒng)的前后級匹配，使系統(tǒng)性能下降。降。9說明：由于原理圖仿真和實際情說明：由于原理圖仿真和實際情況會有一定的偏差，在設(shè)定優(yōu)化況會有一定的偏差，在設(shè)定優(yōu)化參數(shù)時，可以適當增加通帶寬度。參數(shù)時，可以適當增加通帶寬度。對于其它的參數(shù)，也可以根據(jù)優(yōu)對于其它的參數(shù)，也可

5、以根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果進行一定的調(diào)整。化的結(jié)果進行一定的調(diào)整。101、通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏、通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏 2、阻帶邊界頻率與阻帶衰減、阻帶邊界頻率與阻帶衰減說明：此兩項描述衰減特性的，是濾波器說明：此兩項描述衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標，決定了濾波器的性能和的主要技術(shù)指標，決定了濾波器的性能和種類種類(高通、低通、帶通、帶阻等高通、低通、帶通、帶阻等)。四、微帶濾波器的技術(shù)指標四、微帶濾波器的技術(shù)指標113、通帶的輸入電壓駐波比通帶的輸入電壓駐波比說明：描述了濾波器的反射損耗的大小。說明：描述了濾波器的反射損耗的大小。4 4、通帶內(nèi)相移與群時延通帶內(nèi)相移與群時延說明

6、：群時延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的說明：群時延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為變化率，定義為 dY/df dY/df ，群時延為常，群時延為常數(shù)時，信號通過網(wǎng)絡(luò)才不會產(chǎn)生相位失數(shù)時，信號通過網(wǎng)絡(luò)才不會產(chǎn)生相位失真。真。四、微帶濾波器的技術(shù)指標四、微帶濾波器的技術(shù)指標125、寄生通帶說明：寄生通帶是由于分布參數(shù)傳輸線說明：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的周期性頻率特性引起的 ，它是離設(shè)計，它是離設(shè)計通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計時通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計時要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。四、微帶濾波器的技術(shù)指標四、微帶濾波器的技術(shù)指標13設(shè)計指標

7、設(shè)計指標通帶通帶3.03.03.1GHz3.1GHz，帶內(nèi)衰減小于，帶內(nèi)衰減小于2dB2dB，起伏小于，起伏小于1dB1dB2.8GHz2.8GHz以下及以下及3.3GHz3.3GHz以上衰減大以上衰減大于于40dB40dB，端口反射系數(shù)小于，端口反射系數(shù)小于-20dB-20dB。14五、一些物理概念五、一些物理概念微帶線：適合制作微波集成電路的平面微帶線：適合制作微波集成電路的平面結(jié)構(gòu)傳輸線。與金屬波導相比，其體積結(jié)構(gòu)傳輸線。與金屬波導相比，其體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等；但損耗稍大，功率容量制造成本低等；但損耗稍大，功率容量小。小。1

8、5微帶線可以看成雙導體傳輸線演化而來，將無微帶線可以看成雙導體傳輸線演化而來，將無線薄的導體板垂直插入雙導體之間，因為導體線薄的導體板垂直插入雙導體之間，因為導體板和電力線垂直，不影響場分布。板和電力線垂直，不影響場分布。再將導體圓柱變成導體帶，并在其間加入介質(zhì)再將導體圓柱變成導體帶，并在其間加入介質(zhì)材料，構(gòu)成微帶線。材料，構(gòu)成微帶線。16耦合微帶線耦合微帶線:由兩根平行放置的、彼此靠的很由兩根平行放置的、彼此靠的很近的微帶線構(gòu)成，分為不對稱和對稱兩種結(jié)近的微帶線構(gòu)成，分為不對稱和對稱兩種結(jié)構(gòu)兩種（本實驗中為對稱耦合微帶線）。構(gòu)兩種（本實驗中為對稱耦合微帶線）。由于各個傳輸線的電磁場的相互作用

9、，在傳由于各個傳輸線的電磁場的相互作用，在傳輸線之間可以有功率耦合，這種傳輸線叫做輸線之間可以有功率耦合，這種傳輸線叫做耦合微帶線。耦合微帶線。 五、一些物理概念五、一些物理概念17濾波器（濾波器（filter）:定義：定義：是一種用來消除干擾雜訊的器件，對是一種用來消除干擾雜訊的器件，對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，效濾除的電路，從而從而將輸入或輸出經(jīng)過過濾將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電而得到純凈的直流電。功能功能：就是得到一個特定頻率或消除一個特就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。定頻率。分類：分類：濾波器特性可以用其

10、頻率響應來描述，濾波器特性可以用其頻率響應來描述，按其特性的不同，可以分為低通濾波器，高按其特性的不同，可以分為低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器和帶阻濾波器等。通濾波器，帶通濾波器和帶阻濾波器等。五、一些物理概念五、一些物理概念18六、六、ADSADS軟件的使用軟件的使用在使用ADS軟件過程中，根據(jù)老師提供的教程設(shè)計微帶帶通濾波器的方法：包括原理圖繪制，電路參數(shù)的優(yōu)化、仿真，版圖的仿真等。其詳細過程如實驗教程。其詳細過程如實驗教程。19七、觀察仿真曲線七、觀察仿真曲線1、S參數(shù)參數(shù)20圖中依次表示了圖中依次表示了S11，S22，S12，S21。由圖形可以看出，由圖形可以看出，S11=S22，

11、說明此網(wǎng)絡(luò)為對稱網(wǎng)絡(luò)。，說明此網(wǎng)絡(luò)為對稱網(wǎng)絡(luò)。S12=S21，說明此網(wǎng)絡(luò)為互易網(wǎng)絡(luò)。，說明此網(wǎng)絡(luò)為互易網(wǎng)絡(luò)。如之前設(shè)計時，設(shè)計時耦合線結(jié)左右對稱、如之前設(shè)計時，設(shè)計時耦合線結(jié)左右對稱、可互易，結(jié)論正確。可互易，結(jié)論正確。21S(11):S11S11：在通帶3.03.1GHz內(nèi)，小于-20 dB22由圖形觀察：（由圖形觀察：（1）、對）、對S11（S22）:原理：原理：S11(S22)參數(shù)是輸入、輸出端口的反射參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，即表示回波損耗，也就是有多少能量被反系數(shù)，即表示回波損耗，也就是有多少能量被反射回源端。射回源端?；夭〒p耗：回波損耗： 其其值越小越好，一般建議值越小越好，

12、一般建議S110.7，即，即3dB。27仿真要求：通帶衰減小于仿真要求：通帶衰減小于2 dB，阻帶衰減大，阻帶衰減大于于40 dB(通帶通帶3.03.1GHz，2.8GHz以下及以下及3.3GHz以上衰減大于以上衰減大于40 dB)分析：由圖形觀察，在通帶分析：由圖形觀察，在通帶3.03.1GHz內(nèi)，內(nèi)，S11小于小于2dB，阻帶，阻帶2.8GHz以下及以下及3.3GHz以上衰減大于以上衰減大于40 dB。達到指標要求。達到指標要求。說明：（說明：（1）（）（2）結(jié)論：已經(jīng)達到指標要求，）結(jié)論：已經(jīng)達到指標要求，可以進行版圖的仿真?？梢赃M行版圖的仿真。28如果網(wǎng)絡(luò)是無耗的，那么只要反射很小，如

13、果網(wǎng)絡(luò)是無耗的，那么只要反射很小，就可以滿足就可以滿足S210.7的要求的要求.但通常的傳輸線是有耗的，尤其在頻率在但通常的傳輸線是有耗的，尤其在頻率在GHz以上，損耗很顯著，即使沒有反射，以上，損耗很顯著，即使沒有反射，經(jīng)過長距離的傳輸線后，經(jīng)過長距離的傳輸線后，S21的值就會變的值就會變得很小得很小.表示能量在傳輸過程中還沒到達目的地，表示能量在傳輸過程中還沒到達目的地，就已經(jīng)消耗在就已經(jīng)消耗在傳輸線傳輸線路上了。路上了。292、版圖仿真曲線、版圖仿真曲線說明：版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁說明：版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準場進行計算，其結(jié)果比在

14、原理圖中仿真要準確，但是它的計算比較復雜，需要較長的時確，但是它的計算比較復雜，需要較長的時間間。在此作為對原理圖設(shè)計的驗證。所以在版圖在此作為對原理圖設(shè)計的驗證。所以在版圖仿真前要看一下相鄰各耦合線節(jié)的微帶線寬仿真前要看一下相鄰各耦合線節(jié)的微帶線寬是否相差過大是否相差過大。如果相差過大就會造成原理圖和版圖仿真有如果相差過大就會造成原理圖和版圖仿真有較大的差別，這就需要改變變量初值重新進較大的差別，這就需要改變變量初值重新進行優(yōu)化。行優(yōu)化。30版圖仿真曲線版圖仿真曲線31分析：對比兩圖分析：對比兩圖，版圖仿真曲線與原理圖版圖仿真曲線與原理圖的各參數(shù)相比較，原理圖和版圖仿真無較的各參數(shù)相比較，原

15、理圖和版圖仿真無較大的差別大的差別。無需改變變量初值重新進行優(yōu)化，即可進無需改變變量初值重新進行優(yōu)化，即可進行電路版圖的繪制濾波器電路的調(diào)試。行電路版圖的繪制濾波器電路的調(diào)試。32八、使用心得八、使用心得1、在優(yōu)化仿真過程中，要明確物理概念，、在優(yōu)化仿真過程中，要明確物理概念，明確個物理參數(shù)的取值等的物理意義，才明確個物理參數(shù)的取值等的物理意義，才能更好的了解實驗結(jié)果。能更好的了解實驗結(jié)果。2、使用、使用ADS進行微帶電路設(shè)計的過程中，進行微帶電路設(shè)計的過程中，遇到各種具體的問題，多看遇到各種具體的問題，多看Help是最好的是最好的解決方法。解決方法。33思考題：思考題：1、如果測試中發(fā)現(xiàn)濾波器通帶的中心頻、如果測試中發(fā)現(xiàn)濾波器通帶的中心頻率偏高率偏高50MHz，則應當增加還是減小耦，則應當增加還是減小耦合線節(jié)的長度，才能使通帶移到正確的頻合線節(jié)的長度，才能使通帶移到正確的頻率？率？答：因為耦合線節(jié)的長答：因為耦合線節(jié)的長L約為四分之一波約為四分之一波長。如果測試中發(fā)現(xiàn)濾波器通帶的中心頻長。如果測試中發(fā)現(xiàn)濾波器通帶的中心頻率偏高率偏高50MHz，則