1實(shí)驗(yàn)微波濾波器的設(shè)計(jì)制作與調(diào)試(精)

1、實(shí)驗(yàn)一耳微波濾波器的設(shè)計(jì)制作與調(diào)試右（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馕⒉V波電路的原理及設(shè)計(jì)方法。學(xué)習(xí)使用ADS軟件進(jìn)行微波電路的設(shè)計(jì), 優(yōu)化，仿真。掌握微帶濾波器的制作及調(diào)試方法。（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使用ADS軟件設(shè)計(jì)一個(gè)微帶帶通濾波器, 并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、仿真。根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)果繪制電路版圖，并 加工成電路板。對(duì)加工好的電路進(jìn)行調(diào)試，使其滿足設(shè) 計(jì)要求。（三）微帶濾波器的技術(shù)指標(biāo)通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏阻帶邊界頻率與阻帶衰減通帶的輸入電壓駐波比通帶內(nèi)相移與群時(shí)延寄生通帶右（三）微帶濾波器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）前兩項(xiàng)是描述衰減特性的， 是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo), 決定了濾波器的性能和種類（高通、低通、帶通、帶

2、阻等）。輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小。群時(shí)延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為dY/df ,群時(shí)延為常數(shù)時(shí)，信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)才不會(huì)產(chǎn)生 相位失真。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，它是離設(shè)計(jì)通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶， 設(shè)計(jì)時(shí)要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。本節(jié)內(nèi)容是介紹使用ADS軟件設(shè)計(jì)微帶電路參數(shù)的優(yōu)化、仿真，版圖的仿真等。下面開(kāi)始按順序詳細(xì)介紹ADS軟件的使 用方法。（四）ADS軟件的使用帶通包括原理圖繪制,右ADS軟件的啟動(dòng)啟動(dòng)ADS進(jìn)入如下界面右創(chuàng)建新的工程文件點(diǎn)擊File-New Project設(shè)置工程文件名 稱（本例中為Filter）及存儲(chǔ)路徑點(diǎn)擊Len

3、gth Unit設(shè)置長(zhǎng)度單位為毫米兇Sdcct the LengthUnit and the L聊ut Untor theproject.Unts廣milmilrreicr1 . i廣miaonI rrwjth Unit廠ScC defoulOK I Cancel I時(shí)I右創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口變?yōu)橄聢D同時(shí)原理圖設(shè)計(jì)窗口打開(kāi)Qkyvrk*紳創(chuàng)3i _j剛m ：i也|、陋IQIJI洞總IQ AI二d耳6匕闔山 rn 卿、|念I(lǐng) IBtel微帶濾波器的設(shè)計(jì)平行耦合線帶通濾波器的設(shè)計(jì)下圖是一個(gè)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，并且是左右對(duì)稱的，每一個(gè)

4、耦合線 節(jié)長(zhǎng)度約為四分之一波長(zhǎng)(對(duì)中心頻率而言)，構(gòu)創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）di罕_L竽卄c3- ur4E9-t：o*ac悴JZomaWK|Lumped-ComponenlG成諧振 電路。我們以這種結(jié)構(gòu)的濾波器為例，介紹一下設(shè)計(jì)的過(guò)程。等效電路右 微帶濾波器的設(shè)計(jì)(續(xù))設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶3.0-3.1GH乙 帶內(nèi)衰減小于2dB,起 伏小于ldB, 2.8GHz以下及3.3GHz以上衰減大于40dB,端口反射系數(shù)小于-20dBo在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化冃標(biāo) 進(jìn)行優(yōu)化仿真。S21(S12)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S21(S12)隨頻率變 化曲線的形

5、狀上。S11(S22)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。如果反射系數(shù)過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致反射損耗增大，并且影 響系統(tǒng)的前后級(jí)匹配，使系統(tǒng)性能下降。右 生成濾波器的原理圖在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇微帶電路的工具|TLines-Microstnp在工具欄中點(diǎn)擊選擇耦合線Mcfil豈并在右側(cè)的繪圖區(qū)放置選擇微帶線MLIN猊以及控件MSUB亟 分別放置在繪圖區(qū)中選擇畫(huà)線工具將電路連接好, 連接方式見(jiàn)下頁(yè)圖窗口左側(cè)的工具欄變?yōu)橛覉D所示卜3門hlT7r,liicKh?JUBcrd8a n Mell4=Mclin應(yīng)oMciowQ-CD-3號(hào)WCAP1生成V1LINFL1| +

6、卜subst=hMSur)r . V1SUBV1SUO1.40.25 rumzr-9.64ur13ond=1 0E*50HU=IMCFIl C52Subst=BMSubrW=0.625mms=oL=2.25 mm5 mmMCFILCUn3 廠| SUtL5t=eMSuD1B.w=?625rpm.egMSub右設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)上頁(yè)圖中五個(gè)Mcfil表示濾波器的五個(gè)耦合線節(jié)，兩 個(gè)MLIN表示濾波器兩端的引出線蟲(chóng)擊圖上的控件MSUB設(shè)置微帶線參數(shù)H:基板厚度(0.8 mm)Er:基板相對(duì)介電常數(shù)(4.3)Mur:磁導(dǎo)率(1).Cond:金屬電導(dǎo)率(5.88E+7)Hu:封裝高度(1.0e+3

7、3 mm)T：金屬層厚度(0.03 mm)TanD:損耗角正切(le-4)Roungh:表血粗糙度(0 mm)右 設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)(續(xù))修改微帶線參數(shù)窗口 (左圖)，也可以點(diǎn)擊MSUB下面 的文字直接進(jìn)行修改(右圖)，但要注意數(shù)字與單位MSubMSUBMSubl H=0.8mrh 之間有一個(gè)空格.MSublH=p.8 mmEr=4.3 Mur=1Cond=5.88E+7 Hu=1;0e+033 mT=0 .03 nim右微帶線計(jì)算工具濾波器兩邊的引出線是特性阻抗為50歐姆的微帶線，它的寬 度W可由微帶線計(jì)算工具得到，具體方法是點(diǎn)擊菜單欄Tools LineCalc Start Linec

8、alc,出現(xiàn)一個(gè)新的窗口（如下頁(yè)圖）。在窗口的 Substrate Parameters 欄中填入與 MSUB 中相同的微帶線參數(shù)。在 Cpmpnet Parameters 填入中心頻率（木例中為 3.05GHz）。Physical 欄中的 W 和 L 分別表示微帶線的寬和長(zhǎng)。Electrical 欄中的 Z0 和 E_Eff 分別衣妙瞥|戈的特性阻抗和相位延遲。點(diǎn) I i ? Synthesized I Analyze 欄中的ZJ 口箭頭，可以進(jìn)彳 j：W、L 與 Z0、E_Eff 間的相互換算。填入50 Ohm和90 deg可以算出微帶線的線寬1.52 mm和長(zhǎng)度13.63mm（四分之一波

9、長(zhǎng)）。17微帶線計(jì)算工具（續(xù)）微帶線計(jì)算工具（續(xù)）另外打開(kāi)的一個(gè)窗口顯示當(dāng)前運(yùn)算狀態(tài)以及錯(cuò)右設(shè)置微帶器件的參數(shù)雙擊兩邊的引出線TL1、TL2,分別將其寬與長(zhǎng)設(shè)為152 mm和2.5 mm（其中線長(zhǎng)只是暫定,以后制作版圖時(shí)還會(huì)修 改）。平行耦合線濾波器的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，所以五個(gè)耦合線節(jié)中， 第1、5及2、4節(jié)微帶線長(zhǎng)L、寬W和縫隙S的尺寸是相同的。 耦合線的這些參數(shù)是濾波器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的主要參數(shù)，因此 要用變量代替，便于后而修改和優(yōu)化。雙擊每個(gè)耦合線節(jié)設(shè)置參數(shù)，W、S、L分別設(shè)為相應(yīng)的變 量，單位mm,其屮的W1與W2參數(shù)代表該器件左右相鄰兩 側(cè)的微帶器件的線寬，它們用來(lái)確定器件間的位置關(guān)系。在設(shè)置

10、Wi、W2時(shí)，為了讓它們顯示在原理圖上，要把Display parameter onschematic的選項(xiàng)勾上。耦合線節(jié)參數(shù)設(shè)置窗口設(shè)置微帶器件參數(shù)后的原理圖tJ 1L1 -SuDst=T/SubrW=1.52 mmL=2 5 mmMSubMSUBMSuOI-H=Q 8 mmEr=4.3E_H-MCFIL CLirUMCFIL CUn2 SuDSt=：MSuDlMW=w2 mmS-S2 mm1I2 mm W1=W1I IMCFILHu=*1.0e-H333-mmT=O.O3mmTanD=1e-4 .Rough=0 mmCUn3SuDSt=TMSub-W=w3mmS=53 mmL=I3 mm

11、W1=w2 mm -W2=*2mmlMCFILCLln4Sub$t=*MSuW1 =w3 mmW2耐1 mmMCFILCUnOSuDst二W=w1 mmS=sl mmL=Hmm W1 =w2mmW2=1.52mmSubst=*MSuDlW=152mrnL=2 5 mmMUMTL21添加變量單擊工具欄上的VAR|卿圖標(biāo)，把變量控件VAR放置 在原理圖上，雙擊該圖標(biāo)彈出變量設(shè)置窗口，依次 添加各耦合線節(jié)的W, L, S參數(shù)。在name欄屮填變量名稱，Variable Value欄屮填變量 的初值，點(diǎn)擊Add添加交量，然后單擊Optimization/Statistics Setup .按鈕設(shè)置變量

12、的取值 范圍，其中的Enabled/Disabled表示該變量是否能被 優(yōu)化（見(jiàn)下頁(yè)圖）。耦合線節(jié)的長(zhǎng)L約為四分之一波長(zhǎng)（根據(jù)屮心頻率用微 帶線計(jì)算工具算出），微帶線和縫隙的寬度最窄只能 取0.2 mm（最好取0.5 mm以上）。1變量設(shè)置窗口:Variables and equations:VARyBfabic “ E gadon E ntiyInstance N ame| Standard31小1N-OTCSelect ParameterVariaWeVdueS| New3Equdbon Edig.0p(imu:olcn/SU/i5ts Setup.Corrporont ODICTS |O

13、K |Apply |匚arce |FUse |Hob |w2=1OQ0.21O3) w3-1opK 0.2 to 3 JH-136opt(Wto15i2-13&opt(10to15)=lJ6opl(10tol5)右S參數(shù)仿真電路設(shè)置在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇S參數(shù)仿真的工具欄simulation-SParam選擇Term團(tuán)放置在濾波器兩邊，用來(lái)定義端 口1和2,點(diǎn)擊LJ圖標(biāo)，放置兩個(gè)地，并按照 下頁(yè)圖連接好電路。選擇S參數(shù)掃描控件團(tuán)放置在原理圖中，并設(shè) 置掃描的頻率范圍和步長(zhǎng)，頻率范圍根據(jù)濾波 器的指標(biāo)確定（要包含通帶和阻帶的頻率范圍）。S參數(shù)仿真電路設(shè)置（續(xù)）rermi VLNMun=1

14、. TL1 Z-50 OhrtSufeSt-MSulOlW=1 52 mmL*25frmMSubMM甘曲*H=0fi men &43Mur=lCEW 春Hu-10e*33mtng 於mtn TenD-le-4Rcugh=Omm口M!rLCU11SMbstMa-tjl-.H-Pl.旨L! trip.Ctm2.口勺mm皿罰=幡心1“L祁irmw-w2 trtn毅 T 寧m 50 minL-Grr.W1wt min.W2*w3 rum MCHL Xln3 .Ww3 rmS-73rrrn 2VA11-1 gf 0.2 to 3 ).和2mg(a?to3).W3-1 oct( 0.2 to 3

15、)M=i3opi 10 to 15卜Q-13 cpG=13opi(10to15 pt(0W3 .x2-1 cpt(P5.to3 83*1opt( 0to3 SjPatAH*- SW .沖2 7 4 siep-io44t*Wl.StrcCUMaWWSutd-W*w2 mrSs2mnL72 mm W1 *vr3 rrm W2-v1 rmS-PARAMETERSCD MCHL- CUnS.Subst-*MSubrVSMWI mnS-31 rr,m* LM1 rrtn VM濟(jì)2 rrwn W2-1S2MT IM.WTL2Subst-XSuM-vy-r52inm l2 5nvnTirtrtTrm2 2皿

16、2右優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇優(yōu)化|Optim/Stat/Yield選擇優(yōu)化設(shè)置控件團(tuán)放置在原 理圖中，雙擊該控件設(shè)置優(yōu)化 方法及優(yōu)化次數(shù)。常川的優(yōu)化方法有Random（隨機(jī)）、Gradient（梯度）等。隨機(jī)法通常用于人范圍搜索，梯 度法則用于局部收斂選擇優(yōu)化目標(biāo)控件Goal畫(huà)|放置在原理圖中，雙 擊該控件設(shè)置其參數(shù)。1Expr是優(yōu)化日標(biāo)名稱，其中dB（S（2,l）表示以dB為單位 的S21參數(shù)的值。SimlnstanceName是仿真控件名稱，這里選擇SP1Min和Max是優(yōu)化目標(biāo)的最小與最大值。Weight是指優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重。RangeVarl是優(yōu)化目標(biāo)所依賴的變量，這里為頻率

17、freq。RangeMinl和RangeMaxl是上述變量的變化范圍。優(yōu)化3 |Opt icni/At ion: 1Op=,SP1 Mm-2Mw|311GHzNone |EqudtcnEditcMWegbUlOORan8Wf1|=Fe!Mn=.2M*KFghMOO .RanjieVarJIMax40Wesh!100RarpeVerllKfreqRxnoel4i(1h2.7bHxRrocf4a-|11-2tfMrv： Max-40 V/CFIQORar9eV(1Ktre3.3CHXRacgeVer(1req-RaemU!-299 GHz RE沁0上3 11 G2LJMi-FLCUn S*s1 i

18、ntn L41伽W1 1SZwMT .yRtncicn&rccFcrrr*2妣曲M 00 P-2DO5MCr $oui-Msay VWM fTES81 mnVARI1-1吶0 2 to 3 ) w2 1c(02to3)、v3 1 c3M3Sagtf 10to 15 心Mgo 1CCt0?tO.3 .MSubl KBOSrrctiErM3Mjr-1HJ.1 Qe*O33 rrr T*0 (6 fftn * TflrtHD優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）L 2Wl-w2 rwnV2w2 rr Update Optimization Values保存優(yōu)化后的 變量值（在VAR控件上可以看到變量的當(dāng)前值）

19、，否則優(yōu)化 后的值將不保存。（見(jiàn)下頁(yè)圖），其屮的CurrentEF表示與優(yōu)化口標(biāo)的偏差， 數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化冃標(biāo)，0表示達(dá)到了優(yōu)化冃標(biāo), 下面還列出了各優(yōu)化變量的值，當(dāng)優(yōu)化結(jié)束吋還會(huì)打開(kāi) 圖形顯示窗口。占 進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化（續(xù)）經(jīng)過(guò)數(shù)次優(yōu)化后，CurrentEf的值為0,即為優(yōu)化結(jié)束。優(yōu)化過(guò)程中根據(jù)情況可能會(huì)對(duì)優(yōu)化冃標(biāo)、優(yōu)化變量的取值范圍、優(yōu)化方法及次數(shù)進(jìn)行適當(dāng)右觀察仿真曲線要想使控件重新開(kāi)啟，只需點(diǎn)擊工具欄屮的翹按鈕, 然后點(diǎn)擊要開(kāi)啟的控件，則控件上的紅叉消失，功能 也重新恢復(fù)了。對(duì)于原理圖上其他的部件，如果想使其關(guān)閉或開(kāi)啟，也可以采取同樣的方法。的調(diào)整。線優(yōu)。曲擊抻的點(diǎn)關(guān)險(xiǎn)應(yīng)耐片 !鮒沖4

20、1汽嚴(yán)SOAL觀察仿真曲線關(guān)閉優(yōu)化控件后的原理圖Extr-dB(S(2.1) )r&oH5tbnceNixre-aSP1,Wv.2Max- WWMQO .R4reMr(1卜卜2 99 OHz CHrGOALGOA1Te*m2S-PARAMETERSGO0J.OptiTKknC Eg -dB(2.DrSXWr1arceN8rTe-3 3GHz RaroeMax|13.4GHrSMStort-2 7OHXStop-34 OttSteo-IOhttr如ghM8 . RanVartlhlrwTRftWMn(1|.2 7GHz RaneMa申)-28GHXG*Mi . CrOnGkaMExpr-

21、( (：S1.1) )r StTGsf鈕fctrMQK 2CV4-HFt-tOORarVcMr.3 11=CZ- KhJ ._1 TL1I +1OtwSubrtMSOjr ,7-CUnl VAwl trTS51twn LSI fWT Wb;$2mM-1W-152rm.L2 5 wn3JD知H*08fUTEr-43 - Mur.Sd-5$Se 7OeXXprrfnTO03rrim T-1ePhxgh-OxSar.e-bo. I ,UxfcteMA5ct-ve 3*CLA2 “stw&T .Vw2 rrmS-a2ifLM2iwn ffffifftnVA1 wl-074S6aBc9t(05t

22、o3). w21j0XWxtl 429l8cni3dd28ciM( (i0toi5)Q13.4020cpl(l0hl5 ) tiosdioea0.5to3) ). 52r1j5(051o( (3) &3-2X?45 (05lo3)L-H IMCHi X2 . suwt-tsubrW-w3rnL 3g W1 rm.W2ww2trtn .Zl Mcrt Xo4 .Subtf-*MSub1*Ww2 rrtnSS2ML-C血V?lw3rTMCHL cuts .SMwtry. VWwl trnS1 ELM1 W1*w2frmW21-52mKLNTL2 grt WSvtolW-1 52 mnL2A

23、rrm點(diǎn)擊工具欄中的Simulate會(huì)出現(xiàn)圖形顯示窗口。按鈕進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后右觀察仿真曲線（續(xù)）點(diǎn)擊圖形顯示窗口左側(cè)工具欄中的茴按鈕，放置一個(gè)方 框到圖形窗口中，這時(shí)會(huì)彈出一個(gè)設(shè)置窗口（見(jiàn)下頁(yè)圖）， 在窗口左側(cè)的列表里選樣S（l,l）即Sil參數(shù)，點(diǎn)擊Add按鈕 會(huì)彈出一個(gè)窗口設(shè)置單位（這里選擇dB）,點(diǎn)擊兩次0K后， 圖形窗口中顯示出S11隨頻率變化的曲線。用同樣的方法依次加入S22, S21, S12的曲線，山于濾波 器的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，S11與S22,以及S21與S12曲線是相同的。為了準(zhǔn)確讀出曲線上的值，可以添加Marker,方法是點(diǎn)擊 菜單中的Marker - New,出現(xiàn)Inster

24、t Marke的窗口,接 著點(diǎn)擊要添加Marker的曲線， 曲線上出現(xiàn)一個(gè)倒三角標(biāo)志, 點(diǎn)擊拖動(dòng)此標(biāo)志，可以看到曲線上各點(diǎn)的數(shù)值。選擇仿真曲線參數(shù)及其單位卩l(xiāng)ot Ircu &Plot TypeHow would ycu Ike to handled出？ FFFAFFAinromplex DatA(:SYou are dddhgth* onVcocrfrfex d恥to a ply WdataTracesKII2.2I -sssAddAddVt.C dBmC MgriudePhO3CC Real partC ImagnarypariCDeAaietr end EquejonsPMZPa

25、tzmPcrtZ(2) sConcelCancel |I觀察仿真曲線觀察S11(S22)和S21 (S12)曲線是否滿足指標(biāo)要求(包括優(yōu)化目標(biāo)中未設(shè)定的帶內(nèi)起伏小于ldB的要 求)，如果已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求，就可以進(jìn)行版圖 的仿真了。版圖的仿真是采用矩量法直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算, 其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計(jì)算 比較復(fù)雜，需要較長(zhǎng)的時(shí)間，在此作為対原理圖 設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。所以在版圖仿真前要看一下相鄰各 耦合線節(jié)的微帶線右觀(freq. GHz10-遷2.72 8free. GHz寬是否相差過(guò)大，如果相差過(guò) 大就會(huì)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(jìn)行優(yōu)化。右版圖的仿

26、真首先要由原理圖生成版圖， 生成版圖前先耍把原理圖 中用于S參數(shù)仿真的兩個(gè)Term以及接地去掉，不讓他 們出現(xiàn)在生成的原理圖中。者掉的方法與前而關(guān)掉優(yōu) 化控件的相同，都是使用啊按鈕，把這些元件打上 紅叉（見(jiàn)下頁(yè)圖）。然后點(diǎn)擊菜單中的Layout - Generate/Update Layout,彈出一個(gè)設(shè)置窗口，直接點(diǎn)0K,又出現(xiàn)一個(gè)窗口，再 點(diǎn)0K,完成版圖的生成，這時(shí)會(huì)打開(kāi)一個(gè)顯示版圖的 窗口，里面有剛生成的版圖（見(jiàn)后面兒頁(yè)的圖）。用于生成版圖的原理圖JWi152e2$utot-M$ubrWw2 rrn $2mm LC2frtfi WIF,M W2*w3wewsti.nr Sinrt-*S

27、PrM5X-2I卜 FYRnQMc(11-2.99 GHXIRwy 11GHz* I Seojt GOALCfUfnGoflfl .Expr.-S(2.1) )r皿*a-g.紹*8 RanjtVerfl KtfTRXeMr(1-2d9 3Hz f1 GHz8M.expc*S(2.1) )r$*Tir9rceFiT*!i*$Pl 加.Mxr-.OVEhHiOO RtneV葉5?#43( (lWerGHz.GoMC0HvOo3expfdD( (s( (2.i) )rMTf WetrlOO .FUryr(1|-1fcrRXeMrO)-33OHxMSubEZ3Mur*1怦7 .“a 0e*033im) )T0;03mn TtnOl-4Rough-0*CLinl .SU05C-MSUJ1W-vrl mnrffnL-M ftrnVw2xVAW1 w4-0745686c(05to3) w2-1D3599Cft(OStQ3) 429Wc(05to3)t1130o(l0to 15)X2-13.4O2BoM(1OtOl5) O13.4V1cM(10to15)4 6565 opt0 5to3CZJHZZMCAl OroW-w3mS-s3frmZfVY1w2mW2rw2irmdSubwsr V-w2mn Ss2x L-I2ftnV1w