帶通濾波器的Ansoft優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、 帶通濾波器的Ansoft優(yōu)化設(shè)計(jì) -微波固態(tài)電路及其CAD課程學(xué)習(xí) 一. 濾波器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)數(shù)字計(jì)算繁瑣。四十年代中期后，電子計(jì)算機(jī)幫助人們完成了大量的常用濾波器特性的計(jì)算，并把結(jié)果制成通用的設(shè)計(jì)圖表，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，使綜合法得到普及.在濾波器綜合設(shè)計(jì)法中，通常先綜合設(shè)計(jì)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(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換得到所需的高通，帶通，帶阻濾波器。這些在相關(guān)書(shū)籍中有詳細(xì)分析.二. 濾波器電路優(yōu)化設(shè)計(jì)1.目標(biāo) 學(xué)習(xí)Ansoft Serenade軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)電路的一般過(guò)程和操作，優(yōu)化設(shè)計(jì)帶

2、通濾波器，要求為：通帶：4652MHz帶外抑制:頻帶兩端(±f0×15%,f0為中心頻率)處帶外抑制到-45dB, 頻帶兩端(±f0×30%,f0為中心頻率)處及帶外抑制到-50dB,通帶平坦：小于±0.5dB插損：小于5dB輸入輸出電阻：502.優(yōu)化過(guò)程2.1 方法一 利用Ansoft軟件工具內(nèi)的濾波器設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)，只要按軟件要求逐步輸入濾波器種類(lèi)和指標(biāo)等進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。2.2 方法二 使用軟件的一般的優(yōu)化方法，即通過(guò)建立原理圖，仿真和優(yōu)化。由于這種方法對(duì)于Ansoft serenede的學(xué)習(xí)比較全面，所以這也是本次設(shè)計(jì)采用的方法。并且在設(shè)計(jì)中

3、根據(jù)預(yù)先的粗略設(shè)計(jì)計(jì)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(duì)于優(yōu)化過(guò)程和結(jié)果的重要影響，對(duì)于初值也預(yù)先作了一些計(jì)算。整個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程如下：(一) 建立電路原理圖1. 新建Project啟動(dòng)Serenade Desktop，在Project目錄中建立新的工程，取名為filter，選取仿真類(lèi)型為Harmonic電路仿真。2. 編輯原理圖文件1.原理圖編輯過(guò)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(diào)用等操作都可在菜單選擇，工具欄提供的是常用元件的訪問(wèn)和命令的快捷方式。元件的分類(lèi)選擇在P

4、arts菜單中。利用工具欄選擇時(shí)，鼠標(biāo)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(diào)入原理圖，需要旋轉(zhuǎn)按鍵盤(pán)的“R”鍵。元件放置后自動(dòng)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(guān)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(xiě)不區(qū)分，如圖為電容的參數(shù)設(shè)置：連線：鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)元件直接連接端頭，或者在編輯區(qū)單機(jī)右鍵選擇連線命令。選中：?jiǎn)螕粼t單選，按Shift鍵可多選。復(fù)制：按住Ctrl鍵拖動(dòng)元件復(fù)制。刪除：選中元件后按Del。改變參數(shù)設(shè)置：雙擊元件。（二）電路仿真電路的仿真需要三個(gè)基本的部分，即電路原

5、理圖，頻率控制模塊和電路端口。另外還有基板定義等選項(xiàng)一般也需要設(shè)置。在原理圖編輯完成后，設(shè)置電路的輸入輸出端口，所在菜單為：PartsShematic connectorsMacrowave ports生成端口，設(shè)置參數(shù)，輸入輸出均為50歐姆。頻率模塊的設(shè)置決定電路的仿真頻率范圍和頻率間隔以及點(diǎn)數(shù)等：PartsControl blocksLinear frequency調(diào)出頻率模塊，根據(jù)實(shí)際電路設(shè)置為10MHz 150MHz 50KHz，如圖： 建立的完整的電路原理圖如下圖所示： 電路仿真菜單選擇Analysis Analysis，也可以用快捷鍵F10。仿真后觀察結(jié)果選擇ReportRepor

6、t editor，調(diào)出仿真報(bào)告，如圖： 從其中選擇顯示的格式和內(nèi)容，例如本次設(shè)計(jì)在輸入元件初值仿真后得到結(jié)果如下圖所示： 在圖形顯示區(qū)單擊右鍵可以調(diào)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(xì)致觀察曲線的刻度值是否達(dá)標(biāo)。 可以發(fā)現(xiàn)，濾波器在帶內(nèi)波動(dòng)和帶外抑制等方面都不能滿足指標(biāo)要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化。（三）優(yōu)化設(shè)計(jì) 1.設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)：從菜單Partscontrol blockslinear optimization info調(diào)出優(yōu)化目標(biāo)對(duì)話框，如圖： 根據(jù)指標(biāo)要求設(shè)置為： frangel 41.6MHz 56.35MHz goals1 ms21 0.01db GT W=1

7、0 frange2 34.3MHz 63.7MHz goals1 ms21 -60db LT其中：LT表是小于，GT表示大于，W10用來(lái)對(duì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行加權(quán)，即優(yōu)先保證通帶內(nèi)性能。 2.設(shè)置優(yōu)化變量 在需要優(yōu)化的變量值兩邊加“？”，例如“？10pf ？”，還可以指定變化范圍，例如“？1pf 10pf 100pf ？”。 3.進(jìn)行優(yōu)化 選擇菜單Analysisoptimization調(diào)出優(yōu)化設(shè)置框，設(shè)置優(yōu)化方式，迭代運(yùn)算次數(shù)等，單擊optimization按鈕進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)置報(bào)告框如下圖： 從優(yōu)化框輸出的結(jié)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(jié)果離設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)越

8、遠(yuǎn)，F(xiàn)0時(shí)完全達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。 經(jīng)過(guò)反復(fù)的優(yōu)化計(jì)算，發(fā)現(xiàn)帶外抑制和帶內(nèi)衰減都比較容易達(dá)到要求，但是帶內(nèi)波動(dòng)比較大，約有1db?？梢赃m當(dāng)修改優(yōu)化目標(biāo)，減小帶內(nèi)衰減要求，擴(kuò)展通帶大小或減低帶外抑制要求，以達(dá)到帶內(nèi)波動(dòng)要求。 例如將目標(biāo)改成如下設(shè)置：frangel 41.6MHz 56.35MHz goals1 ms21 0.1db GT W=20frange2 34.3MHz 63.7MHz goals1 ms21 -55db LT進(jìn)一步的優(yōu)化顯示，帶內(nèi)波動(dòng)和高頻段的帶外抑制性能互相矛盾，必須尋找折中的點(diǎn)，兼顧兩者的要求。優(yōu)化后濾波器的性質(zhì)如下面的一些圖所示： 對(duì)于帶內(nèi)波動(dòng)，基本控制在0.4db以?xún)?nèi)： 通帶部分的性質(zhì)如下圖所示.由于認(rèn)為電容電感理想無(wú)耗，所以帶內(nèi)衰減極小，這一點(diǎn)與實(shí)際電路制作后的結(jié)果可能有較大的偏差。 整個(gè)濾波器的性質(zhì)如圖： 這次濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)后，有以下一些總結(jié)：1.選擇合適的電路形式，設(shè)定較好的元件初值以及選擇合適的優(yōu)化方法對(duì)于優(yōu)化非常重要。電路形式和初值設(shè)定的好可以很快的接近要達(dá)到的優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)定的不好則需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的計(jì)算，甚至根本