射頻集總參數(shù)濾波器的仿真

1、實(shí)驗(yàn)3 集總參數(shù)濾波器的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?掌握利用ADS仿真濾波器電路的方法，理解有關(guān)電路與設(shè)計(jì)原理。實(shí)驗(yàn)原理：濾波器是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，在設(shè)計(jì)射頻系統(tǒng)時(shí)通常會加入濾波器，濾波器可以非常精確地實(shí)現(xiàn)預(yù)定的頻率特性。濾波器有低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器四種基本類型。濾波器常用插入損耗作為考察濾波器的指標(biāo)，插入損耗可以選特定的函數(shù)，隨所需的響應(yīng)而定，常用的有通帶內(nèi)最平坦、通帶內(nèi)有等幅波紋起伏、通帶和阻帶內(nèi)都有等幅波紋起伏和通帶內(nèi)有線性相位等響應(yīng)，對應(yīng)上述響應(yīng)的濾波器稱為巴特沃茲濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、橢圓函數(shù)濾波器和線性相位濾波器等。歸一化低通濾波器是設(shè)計(jì)濾波器的基礎(chǔ)，低通、高通、帶通

2、、帶阻濾波器以及分布參數(shù)元器件濾波器，可以根據(jù)歸一化低通濾波器變換而來。圖3.1是歸一化低通濾波器的兩種基本結(jié)構(gòu)。低通濾波器由N個(gè)元器件構(gòu)成，各元器件的取值依濾波器響應(yīng)的不同而不同。實(shí)際濾波器N的取值不會太大，通常取N=1至N=10，N值越大，阻帶內(nèi)衰減隨著頻率增大的越快。設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)，對阻帶內(nèi)的衰減有數(shù)值上的要求，由此可以計(jì)算出N值。 圖 3.1 歸一化低通濾波器的基本結(jié)構(gòu)通過阻抗變換和頻率變換兩個(gè)過程可以由歸一化低通濾波器得到實(shí)際的濾波器。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1設(shè)計(jì)如下指標(biāo)的集總參數(shù)低通濾波器：通帶頻率范圍為00.1GHz。濾波器響應(yīng)為切比雪夫Chebyshev。通帶內(nèi)波紋為0.5dB。在0.2

3、GHz時(shí)衰減大于40dB。特性阻抗選為50。實(shí)驗(yàn)步驟：1創(chuàng)建項(xiàng)目下面將創(chuàng)建一個(gè)集總參數(shù)濾波器項(xiàng)目，本章所有的設(shè)計(jì)都將保存在這個(gè)項(xiàng)目之中。創(chuàng)建項(xiàng)目的步驟如下。（1）啟動(dòng)ADS軟件，彈出主視窗。（2）選擇主視窗中【File】菜單【New Project】，彈出【New Project】對話框，在【New Project】對話框中，輸入項(xiàng)目名稱和這個(gè)項(xiàng)目默認(rèn)的長度單位，這里項(xiàng)目名稱定為LC_Filter，默認(rèn)的長度單位選為millimeter。（3）【New Project】對話框如圖10.10所示，單擊【New Project】對話框中的【OK】按鈕，完成創(chuàng)建項(xiàng)目，同時(shí)一個(gè)未命名的原理圖（unti

4、tled1）自動(dòng)打開。2創(chuàng)建原理圖創(chuàng)建原理圖的方法很多，這里在前面自動(dòng)打開的原理圖上將原理圖命名，完成原理圖的創(chuàng)建工作。創(chuàng)建原理圖的步驟如下。（1）在未命名的原理圖untitled1上，選擇菜單【File】【Save Design】，彈出【Save Design As】對話框。（2）在【Save Design As】對話框中，輸入文件名"Filter_Lowpass1"，然后單擊"保存"，將原理圖命名為Filter_Lowpass1。3利用設(shè)計(jì)向?qū)杉倕?shù)低通濾波器原理圖（1）在原理圖Filter_Lowpass1中，選擇【Design Guide】

5、菜單【Filter】，彈出【Filter】對話框，在對話框中選擇【Filter Control Window】項(xiàng)?！綟ilter】對話框如圖10.11所示。 圖10.10 創(chuàng)建集總參數(shù)濾波器項(xiàng)目圖10.11 Filter設(shè)計(jì)向?qū)υ捒颍?）單擊【Filter】對話框中的【OK】按鈕，關(guān)閉【Filter】對話框，同時(shí)將彈出濾波器設(shè)計(jì)向?qū)С跏即翱凇綟ilter Design Guide】，如圖10.12所示。圖10.12 濾波器設(shè)計(jì)向?qū)С跏即翱冢?）在圖10.12所示的【Filter Design Guide】窗口中，單擊工具欄中的按鈕【Component Palette-All】，在Filter

6、_Lowpass1原理圖中出現(xiàn)【Filter DG-All】列表下的元器件面板，如圖10.13所示，【Filter DG-All】元器件面板上列出了各種類型濾波器的設(shè)計(jì)向?qū)?，包括集總元器件低通、高通、帶通和帶阻濾波器設(shè)計(jì)向?qū)?。?）在【Filter DG-All】元器件面板上，選擇雙端口低通濾波器，插入到原理圖的畫圖區(qū)，然后單擊 按鈕，結(jié)束當(dāng)前命令。原理圖中的雙端口低通濾波器如圖10.14所示。 圖10.13 濾波器設(shè)計(jì)向?qū)г骷姘?圖10.14 雙端口低通濾波器原理圖（5）重新回到【Filter Design Guide】窗口，單擊窗口中的【Filter Assistant】按鈕，在【Fi

7、lter Design Guide】窗口中出現(xiàn)濾波器設(shè)計(jì)向?qū)?，如圖10.15所示，圖10.15中【Smart Component】項(xiàng)為DA_LCLowpassDT1，說明Filter_Lowpass1原理圖中現(xiàn)在出現(xiàn)了快捷元器件DA_LCLowpass DT1，設(shè)計(jì)向?qū)Ь褪怯脕碓O(shè)計(jì)原理圖中的快捷元器件DA_LCLowpassDT1。 圖10.15 濾波器設(shè)計(jì)向?qū)е械脑O(shè)計(jì)選項(xiàng)下面對圖10.15中【Filter DesignGuide】窗口的參量介紹如下。Source Impedances為源阻抗，源阻抗的默認(rèn)狀態(tài)為50。Load Impedances為負(fù)載阻抗，負(fù)載阻抗的默認(rèn)狀態(tài)為50。Firs

8、t Element為濾波器第一個(gè)元器件的串并聯(lián)方式，Parallel為并聯(lián)方式，Series為串聯(lián)方式，軟件的默認(rèn)狀態(tài)為Parallel并聯(lián)方式。Order（N）為濾波器的階數(shù)，濾波器的階數(shù)與濾波器的元器件數(shù)相同Response Type為濾波器響應(yīng)的方式，濾波器響應(yīng)的方式有最大平滑Maximally Flat（也稱為巴特沃斯）、切比雪夫Chebyshev、橢圓Elliptic和高斯Gaussian等，軟件默認(rèn)的濾波器響應(yīng)方式為最大平滑Maximally Flat。Ap（dB）為濾波器通帶的衰減。As（dB）為濾波器阻帶的衰減。Fp為濾波器通帶的頻率。Fs為濾波器阻帶的頻率。（6）圖10.15

9、是初始狀態(tài)，下面設(shè)置圖10.15中快捷元器件DA_LCLowpassDT1的參數(shù)。Response Type選為切比雪夫Chebyshev。Ap（dB）選為0.5。As（dB）選為40。Fp選為0.1GHz。Fs選為0.2GHz。其余選項(xiàng)保持默認(rèn)狀態(tài)。單擊【Filter DesignGuide】窗口中的【Design】按鈕，軟件中的設(shè)計(jì)向?qū)瓿稍O(shè)計(jì)。（7）現(xiàn)在觀察【Filter DesignGuide】窗口，可以看到現(xiàn)在窗口中的曲線已經(jīng)改變?yōu)閳D10.16。 圖10.16 濾波器設(shè)計(jì)向?qū)е蟹现笜?biāo)的響應(yīng)由圖10.16可以看出，在通帶內(nèi)濾波器的響應(yīng)是等幅值的波紋，在阻帶內(nèi)濾波器的衰減隨著頻率的升高

10、單調(diào)上升，這是切比雪夫低通濾波器。（8）現(xiàn)在原理圖中的DA_LCLowpassDT1元器件已經(jīng)有了子電路，下面觀察子電路，觀察子電路的步驟如下。在原理圖中選中DA_LCLowpassDT1元器件。然后單擊原理圖工具欄中的 按鈕，進(jìn)入DA_LCLowpassDT1元器件子電路，DA_LCLowpassDT1元器件子電路如圖10.17所示。由圖10.17可以看出，滿足技術(shù)指標(biāo)的濾波器階數(shù)為5，也就是濾波器有5個(gè)元器件。（9）在原理圖的工具欄中，單擊 按鈕，由DA_LCLowpassDT1元器件子電路退出，回到圖10.14所示的原理圖中。4觀察原理圖的仿真結(jié)果下面在原理圖Filter_Lowpass

11、1中設(shè)置仿真控件，來觀察DA_LCLowpassDT1元器件的S參數(shù)，DA_LCLowpassDT1元器件的子電路為集總參數(shù)低通濾波器。（1）打開Filter_Lowpass1原理圖。（2）在原理圖Filter_Lowpass1上選擇S參數(shù)仿真元器件面板，在元器件面板上選擇負(fù)載終端Term，將負(fù)載終端Term兩次插入到原理圖中，定義負(fù)載終端Term1為輸入端口，負(fù)載終端Term2為輸出端口。 圖10.17 濾波器子電路（3）在原理圖工具欄中單擊 按鈕，將地線（GROUND）兩次插入原理圖，讓兩個(gè)負(fù)載終端Term接地。（4）單擊工具欄中的 按鈕，將原理圖中的負(fù)載終端Term和低通濾波器連接起來，

12、連接方式如圖10.18所示。（5）在S參數(shù)仿真元器件面板上，選擇S參數(shù)仿真控件SP插入到原理圖的畫圖區(qū)，對S參數(shù)仿真控件設(shè)置如下。頻率掃描類型選為線性Linear。頻率掃描的起始值設(shè)為0MHz。頻率掃描的終止值設(shè)為300MHz。頻率掃描的步長設(shè)為10MHz。其余的參數(shù)保持默認(rèn)狀態(tài)。單擊S參數(shù)仿真控件設(shè)置窗口中的【OK】按鈕，完成對S參數(shù)仿真控件的設(shè)置，現(xiàn)在用于仿真的集總參數(shù)低通濾波器原理圖如圖10.19所示。 圖10.18 帶有負(fù)載終端的低通濾波器原理圖 圖10.19 用于仿真的集總參數(shù)低通濾波器原理圖（6）現(xiàn)在可以對圖10.19所示的原理圖仿真了。在原理圖工具欄中單擊 按鈕，運(yùn)行仿真，仿真結(jié)

13、束后，數(shù)據(jù)顯示視窗自動(dòng)彈出。（7）數(shù)據(jù)顯示視窗的初始狀態(tài)沒有任何數(shù)據(jù)顯示，用戶自己選擇需要顯示的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)顯示的方式，這里選擇的步驟如下。在數(shù)據(jù)顯示視窗中，單擊數(shù)據(jù)顯示方式面板中的矩形圖標(biāo)，插入到數(shù)據(jù)顯示區(qū)。選擇矩形圖的橫軸為頻率，縱軸為用分貝（dB）表示的S21。在S21曲線上插入三個(gè)Marker，S21曲線如圖10.20所示，S21表示信號由端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)。 圖10.20低通濾波器數(shù)據(jù)顯示單擊工具欄中的 按鈕，保存數(shù)據(jù)。（8）由圖10.20可以看出，S21曲線在30MHz、100MHz和200MHz處的值如下。在30MHz處，S21的值為?0.499dB。在100MHz處，S

14、21的值為?0.500dB。在200MHz處，S21的值為?42.039dB。圖中的參數(shù)滿足指標(biāo)要求。由上節(jié)ADS的設(shè)計(jì)向?qū)?，我們得到了集總參?shù)低通濾波器原理圖的基本結(jié)構(gòu),本節(jié)學(xué)習(xí)如何實(shí)現(xiàn)集總參數(shù)低通濾波器的原理圖。實(shí)際的集總參數(shù)低通濾波器，集總參數(shù)元器件之間需要有傳輸線連接，由于分布參數(shù)的影響，傳輸線會對濾波器的技術(shù)指標(biāo)有影響，因此需要考慮加入傳輸線后濾波器的設(shè)計(jì)情況。集總參數(shù)低通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下。設(shè)計(jì)集總參數(shù)低通濾波器。通帶頻率范圍為0.1GHz內(nèi)。通帶內(nèi)衰減小于0.6dB。在0.2GHz 時(shí)衰減大于40dB。特性阻抗為50。微帶線基板的厚度為1mm，基板的相對介電常數(shù)為4.2。連接集

15、總參數(shù)元器件的微帶線，長選為2.5mm，寬選為1.5mm。1創(chuàng)建新設(shè)計(jì)創(chuàng)建一個(gè)新設(shè)計(jì)Filter_Lowpass2，這個(gè)設(shè)計(jì)依舊保存在LC_Filter項(xiàng)目之中。創(chuàng)建新設(shè)計(jì)的步驟如下。（1）選擇主視窗中【View】菜單【Startup Directory】，然后在主視窗中的文件瀏覽區(qū)選擇LC_Filter_prj，雙擊進(jìn)入LC_Filter項(xiàng)目。（2）在主視窗中選擇【File】菜單【New Design】，彈出【New Design】對話框，在【New Design】對話框中，輸入新建的設(shè)計(jì)名稱Filter_Lowpass2，并選擇對話框中【Create New Design in】項(xiàng)中的Ne

16、w Schematic Window（新建原理圖視窗），以及選擇【Schematic Design Templates】（原理圖設(shè)計(jì)模板）項(xiàng)中的none，然后單擊【OK】按鈕，新建的原理圖Filter_Lowpass2自動(dòng)打開。2設(shè)計(jì)原理圖在Filter_Lowpass2原理圖上，根據(jù)圖10.17搭建低通濾波器原理圖電路。由于低通濾波器在微帶線上搭建，電感和電容元器件之間需要有一定的間距，因此電感和電容之間需要由微帶線連接。（1）設(shè)置微帶線參數(shù)在原理圖的元器件面板列表上，選擇微帶線【TLines-Microstrip】，元器件面板上出現(xiàn)與微帶線對應(yīng)的元器件圖標(biāo)，如圖10.21所示。在圖10.2

17、1所示的微帶線元器件面板上，選擇MSUB插入到原理圖的畫圖區(qū)。在畫圖區(qū)中，雙擊MSub，彈出【Microstrip Substrate】設(shè)置對話框，在【Microstrip Substrate】設(shè)置對話框中，對微帶線參數(shù)設(shè)置如下。H=1mm，表示微帶線基板的厚度為1mm。Er=4.2，表示微帶線基板的相對介電常數(shù)為4.2。Mur=1，表示微帶線的相對磁導(dǎo)率為1。Cond=4.1E+7，表示微帶線導(dǎo)體的電導(dǎo)率為4.1E+7。Hu=1.0e+033mm，表示微帶線的封裝高度為1.0e+033mm。T=0.05mm，表示微帶線的導(dǎo)體層厚度為0.05mm。TanD=0.000 3，表示微帶線的損耗角正

18、切為0.000 3。Rough=0mm，表示微帶線表面粗糙度為0 mm。完成設(shè)置的微帶線MSUB控件如圖10.22所示。 圖10.21 微帶線元器件面板 圖10.22 微帶線參數(shù)設(shè)置（2）在圖10.21所示的微帶線元器件面板上，選擇MTEE插入到原理圖的畫圖區(qū)，MTEE是微帶線的T形結(jié)，可以將電路由一路分為兩路，T形結(jié)的寬度分別用W1、W2和W3表示。雙擊畫圖區(qū)的MTEE，在彈出的設(shè)置窗口中設(shè)置W1=1.5mm、W2=1.5mm和W3=1.5mm。（3）在微帶線元器件面板上選擇MLIN，3次插入到原理圖的畫圖區(qū)，MLIN 是一段長度的微帶線，可以設(shè)置這段微帶線的寬度W和長度L。分別雙擊畫圖區(qū)的

19、3個(gè)MLIN，將它們的數(shù)值都設(shè)置為W=1.5mm和L=2.5mm。（4）單擊工具欄中的 按鈕，將前面的1個(gè)MTEE和3個(gè)MLIN連接起來，連接方式如圖10.23所示。（5）在原理圖的元器件面板列表上，選擇集總參數(shù)元器件【Lumped-Components】，元器件面板上出現(xiàn)與集總參數(shù)元器件對應(yīng)的元器件圖標(biāo)，如圖10.24所示。圖10.231個(gè)MTEE和3個(gè)MLIN連接 圖10.24集總參數(shù)元器件面板（6）在圖10.24所示的集總參數(shù)元器件面板上，分別選擇電感L和電容C插入到原理圖的畫圖區(qū)。分別雙擊畫圖區(qū)的電感L和電容C，打開電感L和電容C的設(shè)置對話框，將電感L和電容C的數(shù)值分別設(shè)置為L=97.

20、849nH和C=54.298pF。（7）在微帶線元器件面板上選擇MLIN，插入到原理圖的畫圖區(qū)，將它的數(shù)值設(shè)置為W=1.5mm和L=2.5mm。單擊工具欄中的 按鈕，將該MLIN接地。（8）將電感和電容與微帶線連接起來，連接方式如圖10.25所示。低通濾波器由5個(gè)元器件構(gòu)成，圖10.25為5元器件濾波器中的2元器件連接圖。圖10.255元器件濾波器中的2元器件連接圖（9）用與上面相同的方法，將低通濾波器的其余3個(gè)元器件插入到畫圖區(qū)，并同樣采用微帶線的T形結(jié)和微帶線MLIN連接電感和電容，5個(gè)元器件的低通濾波器如圖10.26所示。圖10.265元器件低通濾波器在圖10.26中，所有電感和電容的取

21、值如下。C1=54.298pFL1=97.849nHC2=80.879pFL2=97.849nHC3=54.298pF在圖10.26中，所有T形結(jié)MTEE的設(shè)置如下。W1=1.5mmW2=1.5mmW3=1.5mm在圖10.26中，所有微帶線MLIN的設(shè)置如下。W=1.5mmL=2.5mm（10）選擇S參數(shù)仿真元器件面板，在元器件面板上選擇負(fù)載終端Term，兩次插入到原理圖中，定義負(fù)載終端Term1為輸入端口，負(fù)載終端Term2為輸出端口。在原理圖工具欄中單擊 按鈕，將地線（GROUND）兩次插入原理圖，讓負(fù)載終端Term接地。（11）單擊工具欄中的 按鈕，將原理圖中的負(fù)載終端Term和低通濾

22、波器連接起來，連接方式如圖10.27所示。3原理圖仿真與調(diào)諧在仿真之前，首先設(shè)置S參數(shù)仿真控件SP，SP對原理圖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。 圖10.27帶有終端負(fù)載的低通濾波器原理圖（1）在S參數(shù)仿真元器件面板上，選擇S參數(shù)仿真控件SP，插入到原理圖的畫圖區(qū)，對S參數(shù)仿真控件SP設(shè)置如下。頻率掃描類型選為線性Linear。頻率掃描的起始值設(shè)為0MHz。頻率掃描的終止值設(shè)為300MHz。頻率掃描的步長設(shè)為10MHz。其余的參數(shù)保持默認(rèn)狀態(tài)。單擊S參數(shù)仿真控件設(shè)置窗口中的【OK】按鈕，完成對S參數(shù)仿真控件的設(shè)置，S參數(shù)仿真控件SP如圖10.28所示。 圖1

23、0.28S參數(shù)仿真控件（2）現(xiàn)在可以對原理圖仿真了。在原理圖工具欄中單擊 按鈕，運(yùn)行仿真，仿真結(jié)束后，數(shù)據(jù)顯示視窗自動(dòng)彈出。（3）數(shù)據(jù)顯示視窗的初始狀態(tài)沒有任何數(shù)據(jù)顯示，用戶自己選擇需要顯示的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)顯示的方式，這里選擇的步驟如下。在數(shù)據(jù)顯示視窗中，單擊數(shù)據(jù)顯示方式面板中的矩形圖標(biāo)，插入到數(shù)據(jù)顯示區(qū)。選擇矩形圖的橫軸為頻率，縱軸為用分貝（dB）表示的S21。在S21曲線上插入三個(gè)Marker，S21曲線如圖10.29所示。在30MHz處，S21的值為?0.492dB。在100MHz處，S21的值為?1.876dB。在200MHz處，S21的值為?47.524dB。比較圖10.29與圖10.2

24、0可以看出，在原理圖中添加微帶線后，S21曲線發(fā)生變化，這是由于微帶線產(chǎn)生了相移和衰減，但由于低通濾波器的通帶頻率較低，S21曲線變化不大。單擊工具欄中的 按鈕，保存數(shù)據(jù)。（4）圖10.29與圖10.20的曲線有差異，圖10.20的曲線在100MHz時(shí)不滿足技術(shù)指標(biāo)，需要調(diào)整原理圖。下面采用調(diào)諧來改變電感和電容的取值，以期達(dá)到合格的曲線。按下鍵盤中的Shift鍵，同時(shí)用鼠標(biāo)分別選中原理圖中的電感L1、電容C2和電感L2，然后釋放shift鍵，這時(shí)原理圖中的電感L1、電容C2和電感L2顏色發(fā)生改變，如圖10.30所示。 圖10.29 低通濾波器數(shù)據(jù)顯示 圖10.30 在原理圖中選中電感L1、電容

25、C2和電感L2（5）單擊工具欄中的 按鈕，對電路調(diào)諧進(jìn)行設(shè)置并調(diào)諧。單擊 按鈕后，同時(shí)彈出三個(gè)窗口，這三個(gè)窗口分別是參數(shù)調(diào)諧窗口【Tune Parameters】、仿真狀態(tài)窗口和數(shù)據(jù)顯示窗口，其中數(shù)據(jù)顯示窗口與圖10.29完全一樣，這是因?yàn)樵韴D中的兩個(gè)電感和一個(gè)電容還都是初始值，沒有被調(diào)諧。參數(shù)調(diào)諧窗口如圖10.31所示。（6）在圖10.31所示的參數(shù)調(diào)諧窗口，保持默認(rèn)設(shè)置狀態(tài)，然后單擊原理圖中的電感L1，彈出【Instance Tune Parameters】窗口，在該窗口中選中L，如圖10.32所示。（7）單擊【Instance Tune Parameters】窗口中的【OK】按鈕，關(guān)閉該窗口，同時(shí)調(diào)諧窗口Tune Parameters中出現(xiàn)電感L1的調(diào)諧范圍，調(diào)諧的各參數(shù)含義如下。Value值。該值開始時(shí)是原理圖中電感的初