整理帶通濾波器的Ansoft優(yōu)化設計

1、帶通濾波器的 Ansoft 優(yōu)化設計 微波固態(tài)電路及其 CAD 課程學習顧偉 20301172一 . 濾波器的設計理論濾波器分為低通 /帶通/高通/帶阻四種 , 現(xiàn)代濾波器理論在三四十年代趨 完善，但設計時數(shù)字計算繁瑣。四十年代中期后，電子計算機幫助人們完 成了大量的常用濾波器特性的計算，并把結果制成通用的設計圖表，從而 簡化了設計過程，使綜合法得到普及 .在濾波器綜合設計法中，通常先綜合設計低通原型濾波器，然后再由 低通原型濾波器借助頻率變換原理， 通過網(wǎng)絡轉換得到所需的高通， 帶通， 帶阻濾波器。這些在相關書籍中有詳細分析 .二 . 濾波器電路優(yōu)化設計1. 目標學習 Ansoft Sere

2、nade 軟件優(yōu)化設計電路的一般過程和操作，優(yōu)化設 計帶通濾波器，要求為：通帶： 46 52MHz帶外抑制：頻帶兩端（土 foX 15%,fo為中心頻率）處帶外抑制到-45dB,頻帶兩端（土 f oX 30%,f o為中心頻率）處及帶外抑制到-50dB,通帶平坦：小于± o.5dB插損：小于 5dB輸入輸出電阻： 5o2. 優(yōu)化過程2.1 方法一利用 Ansoft 軟件工具內的濾波器設計工具設計，只要按軟件要求逐 步輸入濾波器種類和指標等進行設計優(yōu)化。2.2 方法二使用軟件的一般的優(yōu)化方法，即通過建立原理圖，仿真和優(yōu)化。由于 這種方法對于 Ansoft serenede 的學習比較全

3、面，所以這也是本次設計采用的方法。并且在設計中根據(jù)預先的粗略設計計算，選擇合適的濾波器形 式和階數(shù)，直接輸入完整的5階濾波器原理圖。并且注意到元件初值對于優(yōu)化過程和結果的重要影響，對于初值也預先作了一些計算。整個設計優(yōu) 化過程如下：（一）建立電路原理圖1. 新建 Project啟動Serenade Desktop ，在 Project 目錄中建立新的工程，取名為 filter，選取仿真類型為Harmonic電路仿真。2. 編輯原理圖文件1.原理圖編輯過程介紹在界面上，最上方為工具欄，下面是豐富的工具欄，左邊是工程目錄，右 下邊是原理圖編輯工作區(qū)。所有的命令和元器件調用等操作都可在菜單選擇，工具

4、欄提供的是常 用元件的訪問和命令的快捷方式。元件的分類選擇在Parts菜單中。利用工具欄選擇時，鼠標在上面停留可以獲得幫助信息。雙擊工具欄可以將原件直接調入原理圖，需要旋轉按鍵盤的“R”鍵元件放置后自動彈出參數(shù)表，其中“*req *”必須輸入元件初值，其余可以用缺省值。相關參數(shù)含義也可以在“info ”按鈕中得到幫助信息。需要注意的是元件值的單位，參數(shù)中元件值與單位間不能有空格，大小寫 不區(qū)分，如圖為電容的參數(shù)設置：連線：鼠標左鍵拖動元件直接連接端頭，或者在編輯區(qū)單機右鍵選擇 連線命令。選中：單擊元件則單選，按Shift鍵可多選。復制：按住Ctrl鍵拖動元件復制。刪除：選中元件后按 Del。改

5、變參數(shù)設置：雙擊元件。（二）電路仿真電路的仿真需要三個基本的部分，即電路原理圖，頻率控制模塊和電 路端口。另外還有基板定義等選項一般也需要設置。在原理圖編輯完成后，設置電路的輸入輸出端口，所在菜單為：Parts > Shematic connectors> Macrowave ports 生成端口，設置參數(shù)，輸入輸出均為50歐姆。頻率模塊的設置決定電路的仿真頻率范圍和頻率間隔以及點數(shù)等：Parts > Con trol blocks> Lin ear freque ncy調出頻率模塊，根據(jù)實際電路設置為10MHz 150MHz 50KHz，如圖：建立的完整的電路原理圖如

6、下圖所示:叩 Iflmki ISBtnbi khz 電路仿真菜單選擇An alysis> An alysis，也可以用快捷鍵F10仿真后觀察結果選擇Report > Report editor，調出仿真報告，如圖：從其中選擇顯示的格式和內容，例如本次設計在輸入元件初值仿真后得到結果如下圖所示：在圖形顯示區(qū)單擊右鍵可以調出菜單改變線形，顏色，背景，刻度等,還可以選擇放大或縮小部分區(qū)域，細致觀察曲線的刻度值是否達標?？梢园l(fā)現(xiàn)，濾波器在帶內波動和帶外抑制等方面都不能滿足指標要求，需要進一步優(yōu)化。（三）優(yōu)化設計1.設置優(yōu)化目標：調出優(yōu)從菜單 Parts > control block

7、s > linear optimization info化目標對話框，如圖：PiopeilvValueAttributes:Visible: |曲thinVeftiral:I RequiredDeleteLinpar OptOrientatior: Norma + Juslification:Horizontal:L2J丄 4一5一6一|7IFrargel46cnhz 52mhzNothingFrange256mh2 aOrtih;Nothing"rargeSNothingGmIs1-0.1db gt iv=30NothingNothingNothing：VisibleCanc

8、el根據(jù)指標要求設置為:frangel 41.6MHz 56.35MHz goalsl ms21 O.OIdb GT W=10fran ge2 34.3MHz 63.7MHz goals1其中：LT表是小于，GT表示大于， 先保證通帶內性能。ms21 -60db LTW 10用來對優(yōu)化目標進行加權，即優(yōu)2. 設置優(yōu)化變量在需要優(yōu)化的變量值兩邊加“？”變化范圍，例如“？1pf 10pf 100pf3.進行優(yōu)化例如“？ 10pf ?”，還可以指定。下圖:調出優(yōu)化設置框， 設置優(yōu)化方式, 按鈕進行優(yōu)化。優(yōu)化設置報告框如選擇菜單 Analysis > optimization 迭代運算次數(shù)等，單

9、擊optimizati on從優(yōu)化框輸出的結果信息中可以看到元件優(yōu)化值，優(yōu)化偏差值F等。其中偏差F值越大表示優(yōu)化結果離設定的優(yōu)化目標越遠，F(xiàn)= 0時完全達到優(yōu)化目標。經(jīng)過反復的優(yōu)化計算，發(fā)現(xiàn)帶外抑制和帶內衰減都比較容易達到要 求，但是帶內波動比較大，約有1db。可以適當修改優(yōu)化目標，減小帶內衰減要求，擴展通帶大小或減低帶外抑制要求，以達到帶內波動要求。例如將目標改成如下設置：frangel 41.6MHz 56.35MHz goalsl ms21 O.ldb GT W=20fran ge2 34.3MHz 63.7MHz goals1 ms21 -55db LT進一步的優(yōu)化顯示，帶內波動和高頻

10、段的帶外抑制性能互相矛盾，必須尋 找折中的點，兼顧兩者的要求。優(yōu)化后濾波器的性質如下面的一些圖所示：對于帶內波動，基本控制在0.4db以內:通帶部分的性質如下圖所示由于認為電容電感理想無耗， 所以帶內衰減極小，這一點與實際電路制作后的結果可能有較大的偏差。(I: J0tffitiltertilterLclci整個濾波器的性質如圖:ArKfrlt Coq)ordon ” Haimflulca 7vflL7l=u Tup=s-gp05.0：XHfiltenfiHer1.cMhRk<JMH2jCorprtiarb?v£71H!25i43這次濾波器優(yōu)化設計后，有以下一些總結：1. 選擇合適的電路形式，設定較好的元件初值以及選擇合適的優(yōu)化 方法對于優(yōu)化非常重要。電路形式和初值設定的好可以很快的接近要達到 的優(yōu)化目標