切比雪夫帶通濾波器

1、* *院西理N季儻課程設計題 目切比雪夫帶通濾波器的設計學生姓名 學號所在院（系）物理與電信工程學院專業(yè)班級電子1104指導教師聶翔完成地點博遠樓計算機實驗室2014年1月08日摘要微波濾波器在衛(wèi)星通信、雷達技術(shù)、電子對抗及微波測量儀器中都有廣泛的應用。無論是發(fā)射機還是接收機， 都需要選擇特定頻率的信號進行處理，濾除其他頻率的干擾信號，這就需要使用濾波電路來分離有用信號和干擾信號。切比雪夫濾波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應的幅頻特性不如后者平坦，切比雪夫濾波器和理想濾波器的頻率響應曲線之間的誤差最小。本文借助ADS2008仿真軟件，設計出一種切比雪夫帶通濾波器，簡化了設計步驟，

2、節(jié)省了設計時間。關(guān)鍵字：ADS軟件 帶通濾波器 切比雪夫目錄1設計方法與參數(shù)3.1.1 將帶通原型參數(shù)變換為低通原型參數(shù)；31.2 參數(shù)計算4.2軟件仿真4.2.1 創(chuàng)建項目4.2.2 利用ADS的計算工具tools完成對微帶濾波器的計算 52.3 設計原理圖7.2.4 原理圖仿真&2.5 原理圖優(yōu)化102.6 版圖生成與仿真 1.53設計心得：1.6參考文獻1.71設計方法與參數(shù)設計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，這兩種方法與設計師多種可能解決方案之間的抉擇緊密關(guān)聯(lián)。相對與巴特沃茲濾波器， 切比雪夫濾波器具有的較窄的過渡帶， 但這是以犧牲濾波器

3、通帶和阻帶的波紋性換來的。主要的技術(shù)指標：(1)中心頻率f025GHz;(中心頻率f0 , fh、力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：3dB;(通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量)(4)相對帶寬：20%;(信號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)；W' f0 f f0由低通原型濾波器變換為帶通濾波器的公式為：1 二;7, T 二；W' BW f0 f其中f0 JfTT為帶通濾波器中心頻率，fh、t分別為帶通濾波器的上、 下邊界頻率。BW為濾波器的帶寬BW= fh- fi。依據(jù)切比雪夫低通濾波器原型的

4、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)計算使用歸一化設計參數(shù) g1-g4和歸一化帶寬BW可以得到通帶濾波器的設計參數(shù)Jn,n 1Z0 2vgngn 1由上式的通帶電路設計參數(shù)可以得到奇模和偶模特征阻抗，其值為：Zo li,i 1 Zo 1 Z°Ji,i 12Z0Ji,i 1Ze li,i 1 Z0 1 Z°Ji,i 12Z0Ji,i 1式中Z0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

5、入上述式中依次得到:Jo,1 =0.0140、Ji,2 =0.0119、12,3 =0.0119、13,4 =0.0140解出特征阻抗為：奇模：Zo |o,i =39.50、Zo 1,2 =37.95、Z0 心=37.95、Z° L =39.50偶模：Ze|0,1 =109.50、Ze|1,2=97.45、Ze |2,3=97.45、Ze|3,4=109.502軟件仿真2.1 創(chuàng)建項目啟動ADS軟件，彈出主視窗。選擇主視窗中的 file 菜單-【new project ,彈 出【new project 對話框，在【new project 對話框輸入項目名稱和這個項目默認的長度單位。2

6、.2 利用ADS的計算工具tools完成對微帶濾波器的計算ADS軟件中白工具tools ,可以對不同類型的傳輸線進行計算，使用者可以利用計算工具提供的圖形化界面進行設計。對于平行耦合微帶線來說，可以進行物理尺寸和電參數(shù)之間的數(shù)值計算，若給定平行耦合微帶線奇模和偶模的特性阻抗，可以計算平行耦合微帶線導體帶的角度和間隔距離。下面利用ADS軟件提供的計算工具，完成對平行耦合微帶線的計算。在原理圖上，選擇【tools 菜單-> LineCalc -> Start LineCalc 命令，彈 出【LineCalc 計算窗口。如圖示。設置所需參數(shù)。在【LineCalc】計算窗口選擇如下:Er=

7、2.7 ,表示微帶線基板的相對介電常數(shù)為2.7。Mur=1 ,表示微帶線的相對磁導率為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 ,表示微帶線的導體厚度為0.05mm 。Cond=5.8E+7 ,表示微帶線導體的電導率為5.8E+7 。TanD=0.0003 ,表示微帶線的損耗角正切為0.0003.Freq=2.4GHZ ,表示計算時采用的頻率為2.4GHZ.Ze,表示計算時偶模的特性阻抗。Zo ,表示計算時奇模的特性阻抗。2.3 設計原理圖在原理圖的元件面板列表中，選擇【 TLines-Microstri

8、p ,元件面板上出現(xiàn)對應的元 件圖標。在元件面板上選擇Mcfil , 4次插入原理圖的畫圖區(qū)，可以設置這段微帶線的導體帶寬度 W,導體帶間隔S和長度L。分別雙擊畫圖區(qū)的 4個Mcfil ,將4個Mcfil的數(shù)值根 據(jù)列表中的數(shù)值設置，在微帶線元件面板上選擇MLIN ,兩次插入原理圖的畫圖區(qū)，MLIN是一段長度的微帶線，可以設置這段微帶線的寬度W和長度L。分別雙擊可以設置。 選才i S參數(shù)仿真元件面板， 在元件面板上選擇負載終端Term ,兩次插入原理圖，再插入兩次地線，完成連線如下圖H一常目獸r 春smL玲n -Mg - t ss.s s“ 5S7壹 jwnl TA-MmF -si - ，f工

9、尋一gL : pm9笈H含1-. .' 冬 mF . 一冬號|:3 31產(chǎn)F哥， 穹 尋一s S蔓等. 3-審問M;- - -( r§.s家&耳 有宜昌.-SJL三 1.1 一心一接當s. 口 J&3 直-±缸 一愛!星- £Bi La-33mll回軍善： :-irsw與 皿1出示宣.7營靠直立宣S京 E63W 昌£.sus蘭”W wm ilI2E一己-&-置gqM 檔331: L包W2.4 原理圖仿真在仿真之前，首先設置 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S參數(shù)仿真控件SP確定后，就可以仿真了

10、。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 S參數(shù)控件設置如下 start=1.0GHz , stop=4GHz , step=20MHzS-PARAME7ERSS_ParamSP1. . . 1Start-1.0 GHzStop=4 GHzStep=20 MHz仿真后波形如下nn1rreq=1,940GHzdB(S(2/)=4).571m3 fneq=2.440GHz dB(S(2.1)0,530m2freq =2.900GHz dB(S(2,1)=0579(Ezwopfreq, GHz序號頻率dB(S(2 , 1)M11.94

11、0GHz0.571M22.900GHz0.579M32.440GHz0.530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，將平彳r耦合微帶線段的導體帶寬度w、兩個導體帶的間隔s和耦合微帶線的長度 l設置為變量，并設置相鄰平行耦合微帶線的尺寸，分別在下面窗口中設置4段微帶線設置完成后，在原理圖的工具欄選擇【VAR】按鈕，插入原理圖的畫圖區(qū)。在畫圖區(qū)雙擊VAR ,彈出Variables and Equations 對話框，在對話框中對變量w1、si、11、w2、 s2、12的范圍進行設置得到rn v

12、arE. qr VAR1w1 =2.026219 t o.w2-2,5701 t c.s1=0.27101 t o52=1.240136 t oM=2L4913t<412=21.0792 t0在原理圖中插入優(yōu)化控件 Optim ,雙擊優(yōu)化控件 Optim ,設置優(yōu)化次數(shù)為 100次OPTIMUseAIIGoals=yesSaveCurrentEF=noOptim Optim j Optim Type- Ran dom Maxi 怕用=100DesiredError=O.0 StatusLevel=4 FinalAnalysis="None" NQrmalizeGoal

13、s=no SetBestValues=yes Seed=Sa«Solns=yes SayeGoals=yes Sa«OptiinVars=no Update Datas et=yes SajeNominal-no SafiAlllteraticns=no UsoAIIO ptVars= yes在原理圖中插入 3個目標控件GOAL,雙擊設置如下GOALGOALGOALGodi Gem一-OplfcriGoall .Optimoal2.OptimiGDalSEjtpr="d9(£(11)rExp 它PE*pi)rExpn="dBiS(2.1)?Sf

14、crn instanceNam e- 5F1寫 rm In $ta n 匚 ehigm 5戶 1"Sim i ns(a rK eN am e-L S31LMiri«0.5Min*Max=KWEOMa)t=2CiW叫"W 啊 ht=Waighl=Ring#Yirt1=Tr*q"Rangs'arfl J="fwq"Ringti/ar(1=,Tr#q"Ran5eMin1=2 2$G 也RangeMiri1J=1 aSGHE廂 ngMin 口尸 2 9GHzR甘班加N*產(chǎn)之7SGHZF?anfle'.ial|=l 9

15、GH工Rangef/34i;=2 91Gh'z最后所得的優(yōu)化原理圖為ffis- - 我：-JI用工一m v募a1國翼I ,營工 言亭勒京 Nrarca雪 Atf.g等杰 軍淳良彳宰 均配用力一 國也5濟T 號逗號£耳 次更烹日里“ 等會京萍§，克i: -,贊 ,ss 'E:.T邕號 ，更gtntlrnp- . /“ 一舅獸. w<lln一招巨自r-le3R r留 . 暨：83為 K.T 旨 FI. 3k sldH. 11直:i Xir Mrr要可 is 士尊g?W生rmw言 :星尋忌： 毛皂TH 宮IT-v, Iga 注賓w :1 -旨宜I- -ff-

16、.itsF策 £§" <密與： SnidJide 靈專一rlsalM,LsprsinDiaKdwnT- , .:二墾事等 索 Y曷s 一辜 #辜 Rqrqx通電巴宜R'g停冕 -言萬一營®-量毒魚HRrihs毒 R思直不鬢 Rin0T“13KHLR*霍普得到仿真的波形圖如下,m2fwtp2.1 DCGHZ d 曲2t 1)尸1一054 optltef=0mi fFea=2B0DGHi 0日8(?,1力二七甘56 optlorOm3frup2 900 GHz d0CS(Zl)=-O.57S optlter=C如上圖所示，優(yōu)化后并不滿足設計要求

17、。最后通過工具欄中【 Simulate > Tuning 進行調(diào)諧。如下圖所示:SSTu門，Si 認cfu1 XT>3Se酬 Sli Jcr t申5匕pVpdkt« 5更hqnEE。得到仿真圖如下:二二m 1freq=2 240GHz;dB 布(21 足 ©566(二巴mspm3freq=2 400GHi則S兇)尸電410m4freq=2 500GHz(JB 忐(2,1) 2324m2 freq=2.760GH 工 dB電(2J爐 0470S11 :端口 2匹配時，端口S22 :端口 1匹配時，端口S12 :端口 1匹配時，端口S21 :端口 2匹配時，端口1的

18、反射系數(shù)；2的反射系數(shù)；2到端口 1的反向傳輸系數(shù);1到端口 2的正向傳輸系數(shù);對于互易網(wǎng)絡，有：S12 = S21;對于對稱網(wǎng)絡，有：S11 =S22序號頻率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，M1為上邊頻2.24GHz , M2為下邊頻2.76GHz ,滿足技術(shù)指標由M2和M3得帶內(nèi)波紋為 2.940dB相對帶寬20%滿足技術(shù)指標(2.24-2.76GHZ )2.6 版圖生成與仿真(1)在原理圖視窗上，單擊原理圖工具

19、欄中的【 Deactive or Active Component 按鈕， 然后單擊兩個端口的 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 設置窗口，單擊窗口上的【 OK】按鈕。默認它的設置。(3)完成版圖的生成過程后，版圖視窗會自動打開，畫圖區(qū)會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，在版圖中已經(jīng)轉(zhuǎn)化成實際微帶線。(4)選擇版圖工具欄上的端口Port ,兩次插入版圖，輸入端口設置為端口1,輸出端口設置為端口 2.(5)下面設置微帶線的基本參數(shù)。為了使版圖的