實驗四微帶線帶通濾波器設計

1、實驗四：基于ADS軟件的平行耦合微帶線帶通濾波器的設計與仿真一、 實驗原理濾波器是用來分離不同頻率信號的一種器件，在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對電路的性能指標有很大的影響，微帶電路具有體積小， 重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點，在微波電路系統(tǒng)應用廣泛， 其中用微帶做濾波器是其主要應用之一。平行耦合微帶線帶通濾波器在微波集成電路中是被廣為應用的帶通濾波器。1、 濾波器的介紹濾波波器可以分為四種：低通濾波器和高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。射頻濾波器又可以分為以下波導濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器。濾波的性能指標： 頻率范圍：濾波器通過或截斷信號的頻率界限 通帶衰減：濾波器殘存的反射

2、以及濾波器元件的損耗引起 阻帶衰減：取通帶外與截止頻率為一定比值的某頻率的衰減值 寄生通帶：有分布參數的頻率周期性引起，在通帶外又產生新的通帶2、平行耦合微帶線濾波器的理論當頻率達到或接近GHz時，濾波器通常由分布參數元件構成，平行耦合微帶傳輸線由兩個無屏蔽的平行微帶傳輸線緊靠在一起構成，由于兩個傳輸線之間電磁場的相互作用，在兩個傳輸線之間會有功率耦合，這種傳輸線也因此稱為耦合傳輸線。平行耦合微帶線可以構成帶通濾波器，這種濾波器是由四分之一波長耦合線段構成，她是一種常用的分布參數帶通濾波器。當兩個無屏蔽的傳輸線緊靠一起時， 由于傳輸線之間電磁場的相互作用， 在傳輸線之間會有功率耦合， 這種傳輸

3、線稱之為耦合傳輸線。根據傳輸線理論， 每條單獨的微帶線都等價為小段串聯(lián)電感和小段并聯(lián)電容。每條微帶線的特性阻抗為Z0， 相互耦合的部分長度為L， 微帶線的寬度為W， 微帶線之間的距離為S， 偶模特性阻抗為Z e， 奇模特性阻抗為Z0。單個微帶線單元雖然具有濾波特性， 但其不能提供陡峭的通帶到阻帶的過渡。如果將多個單元級聯(lián)， 級聯(lián)后的網絡可以具有良好的濾波特性。二、 耦合微帶線濾波器的設計的流程1、 確定濾波器指標2、 計算查表確定濾波器級數N3、 確定標準濾波器參數4、 計算傳輸線奇偶模特性阻抗5、 計算微帶線尺寸6、 仿真7、 優(yōu)化再仿真得到波形圖設計參數要求：（1） 中心頻率：2.4GHz

4、；（2） 相對帶寬：9%；（3） 帶內波紋：<0.5dB；（4） 在頻率1.9GHz和2.9GHz處，衰減>20dB；（5） 輸入輸出阻抗：50。三、 具體設計步驟第一步：先用設計向導設計原理圖：（1）打開ADS窗口，建立工程（2）在原理圖窗口中的工具欄中選擇【DesignGuide】>【Filter】> 【Filter Control Window】單擊確定后，彈出向導設計窗口，選擇Filter Assistant選項，在窗口中輸入Fs1=1.9，Fs2=2.9，Fp1=2.29，Fp2=2.5，Ap=0.2，As=24.6，得到所需要的波形以及階數N=3把參數要求輸

5、進去得到原理圖：第二步：由生成原理圖可以知道用三階可以實現。下面計算參數：1、確定下邊頻和歸一化帶寬。假設下邊頻為1、上變頻為2、中心頻率為0，歸一化帶寬為：=(2-1)/ 0,其中0=2.4GHz，=9%得到2-1=0.216 GHz 又2+1=4.8 GHz所以1=2.292 GHz 2=2.508 GHz（1）計算低通濾波器原型參數。3階、帶內波紋小于0.5dB的切比雪夫濾波器原型參數通過查表得 g1=1.5963 ；g2=1.0967 ； g3=1.5963（2）計算每節(jié)奇偶模的特性阻抗，濾波器需要4節(jié)耦合微帶線連級，由以下公式計算（3）計算得到各個參數如下表所示：節(jié)偶模特性阻抗奇模特

6、性阻抗169.339.5255.945.2355.945.2469.339.5系統(tǒng)阻抗50 說明：上表的阻抗單位都為歐姆，導體帶的導體帶的寬度、導體帶的間隔藕合線的長度單位都為mm，相移角表示計算微帶線的時候為90度。四、設計平行耦合微帶線帶通濾波器原理圖 （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）利用ADS的計算工具tools完成對微帶濾波器的計算ADS軟件中的工具tools，可以對不同類型的傳輸線進

7、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之間的數值計算，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。在【LineCalc】計算窗口選擇如下： Er=2.7，表示微帶線基板的相對介電常數為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

8、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。這樣通過計算工具可以依次算出微帶線的尺寸節(jié)偶模特性阻抗奇模特性阻抗相移導體帶的寬度導體帶的間隔藕合線的長度169.339.5902.262190.2710121.4913255.945.2902.570

9、11.2401321.0792355.945.2902.57011.2401321.0792469.339.5902.262190.2710121.4913系統(tǒng)阻抗50  2.633 20.9949（3）設計微帶線原理圖 a、在原理圖的元件面板列表中，選擇微帶線【TLines-Microstrip】，元件面板上出現與微帶線對應的元件圖標。 b、在微帶線元件面板上選擇Mcfil，4次插入原理圖的畫圖區(qū)，Mcfil是一段長度的平行耦合微帶線，可以設置這段平行耦合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的數值根據列表中

10、的數值設置，如圖所示。c、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。選擇S參數仿真元件面板，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（4）原理圖仿真 在仿真之前，首先設置S參數仿真控件SP，SP對原理圖中的仿真參量給出取值范圍，當S參數仿真控件SP確定后，就可以仿真了。 在S參數仿真元件面板【Simulation-S_Param】上，選擇S參數仿真控件SP，插入原理圖區(qū)，對S參數控件設置如下start=1.5GHz，stop=3.5GHz，step=2.0MH

11、z仿真后波形如下：序號頻率dB(S(21)M12.4GHz-0.646M22.3GHz-0.56M32.5GHz-10.817M41.9GHz-42.115M52.9GHz-39.476有上表中看出，雖然在2.9GH和1.9GHz時滿足要求，但在中心頻率2.4GHz偏移了，而且通帶的上限頻率和下限頻率都不滿足，帶內波紋也不滿足。所以要進行優(yōu)化：（5）原理圖優(yōu)化修改平行微帶線段的取值方式，將平行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

12、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、s1、l1、w2、s2、l2的范圍進行設置w1(1 to 3) w2(1 to 4) s1(0.2 to 0.5) s2(0.7 to 1.5) l1(20 to 30) l2(20 to 30)得到在原理圖中插入優(yōu)化控件Optim，雙擊優(yōu)化控件Optim，設置優(yōu)化次數為100次在原理圖中插入3個目標控件DOE GOAL,雙擊設置如下最后所得的優(yōu)化原理圖為最后通過工具欄中【Simulate】>【Tuning】進行調諧得到仿真的波形圖如下，優(yōu)化后的值如下表：節(jié)偶模特性阻抗奇模特性阻抗相移導體帶的寬度優(yōu)化后的導體帶的寬度導體帶的間隔優(yōu)化后導體帶的間隔藕合線的長度優(yōu)化后的藕合線的長度169.339.5902.262191.620210.271010.13621.491321.4913255.945.2902.57011.291.240131.161321.079221.0792355.945.2902.57011.291.240131.161321.079221.0792469.339.5902.262191.620210.271010.13621.491321.4913系統(tǒng)阻抗502.63320.9949序號頻率dB(S(2,1)M12.3GHz-0.469M2