切比雪夫帶通濾波器

1、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、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)31.1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32軟件仿真42.1創(chuàng)建項目42.2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52.4原理圖仿真62.5原理圖優(yōu)化82.6版圖生成與仿真123設計心得：13參考文獻141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通帶和阻帶的波紋性換來的。主要的技術指標：（1）

3、中心頻率:2.5GHz;（中心頻率，、分別為帶通濾波器的上、下邊界頻率。）（2）輸入輸出阻抗：50；（3）帶內波動: 3dB;（通帶內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)；由低通原型濾波器變換為帶通濾波器的公式為：；其中為帶通濾波器中心頻率，、分別為帶通濾波器的上、下邊界頻率。BW為濾波器的帶寬BW=-。 依據(jù)切比雪夫低通濾波器原型的歸一化元件值可得：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

4、-g4和歸一化帶寬BW可以得到通帶濾波器的設計參數(shù)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：式中為特征阻抗，取值為50，將g0=1.0、g1=1.5963、g2=1.0967、g3=1.5963、g4=1.0帶入上述式中依次得到：=0.0140、=0.0119、=0.0119、=0.0140解出特征阻抗為：奇模：=39.50、=37.95、=37.95、=39.50偶模：=109.50、=97.45、=97.45、=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

5、】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。 2.2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

6、】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=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

7、設計原理圖在原理圖的元件面板列表中，選擇【TLines-Microstrip】，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。選擇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2.4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

8、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。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=20MHz仿真后波形如下序號頻率dB(S(2，1)M11.940GHz0.571M22.900GHz0.579M32.440GHz0.530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

9、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、s1、l1、w2、s2、l2的范圍進行設置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(shù)為100次在原理圖中插入3個目標控件GOAL,雙擊設置如下最后所得的優(yōu)化原理圖為得到仿真的波形圖如下，如上圖所示，優(yōu)化后并不滿足設計要求。最后通過工具欄中【Simulate】>【Tuning】進行調諧。如下圖所示：得到仿真圖如下

10、：S11：端口2匹配時，端口1的反射系數(shù)；S22：端口1匹配時，端口2的反射系數(shù)；S12：端口1匹配時，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)；S21：端口2匹配時，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)；對于互易網(wǎng)絡，有：S12S21；對于對稱網(wǎng)絡，有：S11S22 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，滿足技術指標，M1為上邊頻2.24GHz，M2為下邊頻2.76GHz，滿足技術指標由M2和M3得帶內波紋為2.940dB相對帶寬20%滿足技術

11、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。原理圖中構成濾波器電路

12、的各種微帶線元件模型，在版圖中已經(jīng)轉化成實際微帶線。（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)。為了使版圖的仿真結果有效，必須使版圖中微帶線的基本參數(shù)與原理圖中微帶線的基本參數(shù)一致。選擇版圖視窗中的【Momentum】菜單>【Substrate】>【Update From Schematic】命令，從原理圖視窗得到微帶線的基本參數(shù)。3設計心得：本文以切比雪夫帶通濾波器原理為基礎，將傳統(tǒng)的濾波器設計方法與利用微波電路仿真工具設計濾波器的方法相結合，設計了一個相對帶寬為20%的切比雪夫帶通濾波器，并給出仿真結果，同時對仿真結果進行了分析。仿真結果表明利用這種方法設計的切比雪夫帶通濾波器達到了要求的指標，本次的設計是我們在學習ADS2008的基礎上跟同組同學的討論，設計，遇到問題大家一起解決，也讓我學到了與同學之間的合作。本次設計遇到的難題是優(yōu)化的時候，首先進行自動各個值設計為變量，并輸入優(yōu)化范圍，如果還達不到要求，可以把優(yōu)化范圍擴大，優(yōu)化次數(shù)加大，如果還沒達到技術指標，可以進行手動優(yōu)化，本次我們設計采用自動優(yōu)化和手動優(yōu)化相結合。參考文獻 1、徐興福編著ADS2008射頻電路與仿真實例 電子工業(yè)出