6GHz的切比雪夫低通濾波器1

./課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目：6GHz的切比雪夫型低通濾波器學(xué)院〔系：年級(jí)專(zhuān)業(yè)：學(xué)號(hào)：學(xué)生：指導(dǎo)教師：教師職稱(chēng)：燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)〔論文任務(wù)書(shū)院〔系：基層教學(xué)單位：學(xué)號(hào)學(xué)生專(zhuān)業(yè)〔班級(jí)設(shè)計(jì)題目6GHz的切比雪夫型低通濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)具有切比雪夫響應(yīng),通帶文波系數(shù)小于2dB截止頻率為6GHz在為12GHz處的插入損耗必須大于15dB輸入輸出阻抗為50Ohm設(shè)計(jì)要求根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定低通原型的元器件值根據(jù)阻抗和頻率定標(biāo)公式,用低阻抗和高阻抗線段代替串聯(lián)電感和并聯(lián)電容根據(jù)得到的線寬和線長(zhǎng)進(jìn)行建模并仿真計(jì)算工作量?jī)芍芄ぷ魅兆笥颐總€(gè)工作日四到六小時(shí)工作計(jì)劃2011/11/20-2011/11/23選定課題并查閱相關(guān)資料2011/11/24-2011/11/27設(shè)計(jì)課題步驟并上機(jī)實(shí)踐2011/11/28-2011/11/31整理數(shù)據(jù),完成分析2011/12/01-2011/12/03撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)參考資料[1]徐興福.ADS2008射頻仿真電路設(shè)計(jì).電子工業(yè).2009[2]艷華朝暉夏瑋.ADS應(yīng)用詳解——射頻電路設(shè)計(jì)與仿真.人民郵電,2008.9[3]黃玉蘭.ADS射頻電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與典型應(yīng)用.人民郵電,2010.1[4][美]ReinholdLudwing著.射頻電路設(shè)計(jì)——理論與應(yīng)用.電子工業(yè)2003.5指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說(shuō)明：此表一式四份,學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。年月日.6GHz的切比雪夫型型低通濾波器6GHzChebyshevlow-passfilter摘要：利用ADS2009軟件設(shè)計(jì)6GHz的切比雪夫型低通濾波器,通過(guò)最終的圖像,分析該濾波器的功能特性,并與其他濾波器對(duì)比分析,闡明此種濾波器的優(yōu)點(diǎn)所在。Abstract：UseADS2009softwaretodesign6GHzChebyshevlow-passfilter,thefinalimage,analysisofthefilterfunctioncharacteristics,andwithotherfiltercontrastanalysis,elucidationofthefilter'sadvantages.關(guān)鍵字：切比雪夫低通濾波器集總參數(shù)微帶濾波器Keywords：Chebyshevlow-passfilterLumpedparameterMicrostripfilter原理分析：一.濾波器濾波器是一種選頻裝置,可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò),而極衰減其它頻率成分。在測(cè)試裝置中,利用濾波器的這種選頻作用,可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。廣義地講,任何一種信息傳輸?shù)耐ǖ馈裁劫|(zhì)都可視為是一種濾波器。因?yàn)?任何裝置的響應(yīng)特性都是激勵(lì)頻率的函數(shù),都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性。因此,構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié),諸如機(jī)械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表甚至連接導(dǎo)線等等,都將在一定頻率圍,按其頻域特性,對(duì)所通過(guò)的信號(hào)進(jìn)行變換與處理。濾波器分類(lèi)濾波器特性可以用其頻率響應(yīng)來(lái)描述,按其特性的不同,可以分為低通濾波器,高通濾波器,帶通濾波器和帶阻濾波器等。低通濾波器有很多種,其中,最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V波器。巴特沃斯濾波器是濾波器的一種設(shè)計(jì)分類(lèi),其采用的是巴特沃斯傳遞函數(shù),有高通、低通、帶通、帶阻等多種濾波器類(lèi)型。巴特沃斯濾波器在通頻帶外都有平穩(wěn)的幅頻特性,但有較長(zhǎng)的過(guò)渡帶,在過(guò)渡帶上很容易造成失真。切比雪夫?yàn)V波器同巴特沃斯濾波器相添加圖片比,切比雪夫?yàn)V波器的過(guò)渡帶很窄,但部的幅頻特性卻很不穩(wěn)定。巴特沃斯響應(yīng)能夠最大化濾波器的通帶平坦度。該響應(yīng)非常平坦,非常接近DC信號(hào),然后慢慢衰減至截止頻率。巴特沃斯濾波器特別適用于低頻應(yīng)用,其對(duì)于維護(hù)增益的平坦性來(lái)說(shuō)非常重要。1.根據(jù)濾波器的選頻作用分類(lèi)⑴低通濾波器從0～f2頻率之間,幅頻特性平直,它可以使信號(hào)中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過(guò),而高于f2的頻率成分受到極衰減。⑵高通濾波器與低通濾波相反,從頻率f1～∞,其幅頻特性平直。它使信號(hào)中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過(guò),而低于f1的頻率成分將受到極衰減。⑶帶通濾波器它的通頻帶在f1～f2之間。它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過(guò),而其它成分受到衰減。⑷帶阻濾波器與帶通濾波相反,阻帶在頻率f1～f2之間。它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減,其余頻率成分的信號(hào)幾乎不受衰減地通過(guò).低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式,其它的濾波器都可以分解為這兩種類(lèi)型的濾波器,例如：低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián)為帶通濾波器,低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)為帶阻濾波器。低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián)低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)2.根據(jù)"最佳逼近特性"標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)⑴巴特沃斯濾波器從幅頻特性提出要求,而不考慮相頻特性。巴特沃斯濾波器具有最大平坦幅度特性,其傳輸函數(shù)表達(dá)式為：⑵切比雪夫?yàn)V波器切貝雪夫?yàn)V波器也是從幅頻特性方面提出逼近要求的,其傳輸函數(shù)表達(dá)式為：是決定通帶波紋大小的系數(shù),波紋的產(chǎn)生是由于實(shí)際濾波網(wǎng)絡(luò)中含有電抗元件；是第一類(lèi)切貝雪夫多項(xiàng)式。與巴特沃斯逼近特性相比較,這種特性雖然在通帶有起伏,但對(duì)同樣的n值在進(jìn)入阻帶以后衰減更陡峭,更接近理想情況。值越小,通帶起伏越小,截止頻率點(diǎn)衰減的分貝值也越小,但進(jìn)入阻帶后衰減特性變化緩慢。切貝雪夫?yàn)V波器與巴特沃斯濾波器進(jìn)行比較,切貝雪夫?yàn)V波器的通帶有波紋,過(guò)渡帶輕陡直,因此,在不允許通帶有紋波的情況下,巴特沃斯型更可??；從相頻響應(yīng)來(lái)看,巴特沃斯型要優(yōu)于切貝雪夫型,通過(guò)上面二圖比較可以看出,前者的相頻響應(yīng)更接近于直線。理想濾波器：理想濾波器是指能使通帶信號(hào)的幅值和相位都不失真,阻帶的頻率成分都衰減為零的濾波器,其通帶和阻帶之間有明顯的分界線。也就是說(shuō),理想濾波器在通帶的幅頻特性應(yīng)為常數(shù),相頻特性的斜率為常值；在通帶外的幅頻特性應(yīng)為零。而理想濾波器是不存在的,實(shí)際濾波器通帶和阻帶之間應(yīng)沒(méi)有嚴(yán)格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個(gè)過(guò)渡帶。在過(guò)渡帶的頻率成分不會(huì)被完全抑制,只會(huì)受到不同程度的衰減。當(dāng)然,希望過(guò)渡帶越窄越好,也就是希望對(duì)通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。因此,在設(shè)計(jì)實(shí)際濾波器時(shí),總是通過(guò)各種方法使其盡量逼近理想濾波器。理想濾波器的特性只需用截止頻率描述,而實(shí)際濾波器的特性曲線無(wú)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),兩截止頻率之間的幅頻特性也非常數(shù),故需用更多參數(shù)來(lái)描述。⑴紋波幅度在一定頻率圍,實(shí)際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化,其波動(dòng)幅度與幅頻特性的平均值A(chǔ)0相比,越小越好,一般應(yīng)遠(yuǎn)小于-3dB。⑵截止頻率幅頻特性值等于0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)為濾波器的截止頻率。以A0為參考值,0.707A0對(duì)應(yīng)于-3dB點(diǎn),即相對(duì)于A0衰減3dB。若以信號(hào)的幅值平方表示信號(hào)功率,則所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)正好是半功率點(diǎn)。⑶帶寬和品質(zhì)因數(shù)值上下兩截止頻率之間的頻率圍稱(chēng)為濾波器帶寬,或-3dB帶寬,單位為Hz。帶寬決定著濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力——頻率分辨力。在電工學(xué)中,通常用代表諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。在二階振蕩環(huán)節(jié)中,值相當(dāng)于諧振點(diǎn)的幅值增益系數(shù),〔——阻尼率。對(duì)于帶通濾波器,通常把中心頻率和帶寬之比稱(chēng)為濾波器的品質(zhì)因數(shù)。例如一個(gè)中心頻率為500Hz的濾波器,若其中-3dB帶寬為10Hz,則稱(chēng)其值為50。值越大,表明濾波器頻率分辨力越高。⑷濾波器因數(shù)〔或矩形系數(shù)濾波器因數(shù)是濾波器選擇性的另一種表示方式,它是利用濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值來(lái)衡量濾波器選擇性,記作。越接近于1,濾波器選擇性越好。二.低通濾波器的仿真2.1新建濾波器工程運(yùn)行并打開(kāi)ADS主窗口,然后創(chuàng)建一個(gè)濾波器工程,命名為"Step_Filter"選擇長(zhǎng)度單位為millimeter,如圖1和2所示。圖1ADS主窗口圖2新建一個(gè)工程2.2建立一個(gè)低通濾波器設(shè)計(jì)在主窗口工具欄中,單擊圖標(biāo)新建原理圖,并命名為"lrf",選擇放置元器件,并將電容、電感、地插入到原理圖中相應(yīng)位置,雙擊相應(yīng)器件設(shè)置各自的參數(shù),電容值為2pF,電感值為1.5nH。如圖3所示。圖3濾波器電路這樣一個(gè)濾波器電路就完成了。三.用設(shè)計(jì)向?qū)гO(shè)計(jì)切比雪夫低通濾波器1打開(kāi)"Lower_Filter"工程,建一名為"Filter_micro_lrf"原理圖,執(zhí)行菜單[DesignGuide]→[Filter],選擇"FilterControl…"項(xiàng),彈出對(duì)話框。2單擊圖標(biāo),在"FilterDG-All"面板中選擇一個(gè)雙端口低通濾波器模型,回到濾波器設(shè)計(jì)向?qū)е?打開(kāi)"FilterAssistant"標(biāo)簽頁(yè),濾波器類(lèi)型選"Chebyshev",即切比雪夫相應(yīng)。在設(shè)計(jì)向?qū)е休斎霝V波器參數(shù)如圖；FirstElement選為"Series",即第一個(gè)元器件是串聯(lián)元器件,然后單擊[Redraw]就可看到切比雪夫響應(yīng)曲線,如圖4所示。圖4切比雪夫相應(yīng)曲線3返回原理圖,雙擊濾波器元器件查看參數(shù),屬性選"SetAll"單擊[Apply],然后[OK],此時(shí)濾波器所有參數(shù)都顯示出來(lái)。圖5濾波器模型及其參數(shù)4選擇濾波器模型,單擊圖標(biāo),得到濾波器的子電路,如圖6所示。圖6濾波器元器件的子電路5設(shè)置好后在濾波器設(shè)計(jì)向?qū)е羞x擇"simulationAssistant"標(biāo)簽頁(yè),"Start"為0,"Stop"為14GHz,"Step"為30MHz。6單擊[simulate],開(kāi)始仿真,仿真結(jié)果如圖7所示。圖7生成的切比雪夫?yàn)V波器的響應(yīng)曲線四.集總參數(shù)濾波器轉(zhuǎn)換為微帶濾波器Richards變換是將一段開(kāi)路或短路傳輸線等效為分布的電感或電容元器件的理論,即將串聯(lián)電感等效為一段短路短截線將并聯(lián)電容等效為一段并聯(lián)短截線。但在實(shí)際的微帶電路設(shè)計(jì)中串聯(lián)短路短截線是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。Kuroda等效給出了并聯(lián)短截線和一段傳輸線以及串聯(lián)短截線和一段傳輸線兩種電路之間的一種轉(zhuǎn)換方式。3.1LC濾波器到微帶濾波器的轉(zhuǎn)換1單擊濾波器設(shè)計(jì)向?qū)е?打開(kāi)濾波器轉(zhuǎn)換助手對(duì)話框,如圖8所示。選中"LCtoTLine"選項(xiàng),單擊集總參數(shù)器件中串聯(lián)電感,在電感轉(zhuǎn)換頁(yè)面中單擊電感轉(zhuǎn)化按鈕,添加電感L1、L2,單擊[Transform]把電感轉(zhuǎn)化為短路串聯(lián)傳輸線。圖8轉(zhuǎn)化助手對(duì)話框2單擊返回到濾波器轉(zhuǎn)換助手對(duì)話框,單擊并聯(lián)電容,后單擊圖標(biāo),添加電容C1,單擊[Transform]把電容轉(zhuǎn)化為開(kāi)路并聯(lián)傳輸線。如圖9所示。轉(zhuǎn)換后電路如圖10所示。圖9電容轉(zhuǎn)換頁(yè)面圖10LC轉(zhuǎn)換為短截線的電路圖3單擊返回到濾波器轉(zhuǎn)換助手對(duì)話框,選中"TlinetoTline<Kuroda>"選項(xiàng)開(kāi)始轉(zhuǎn)換,如圖11所示。圖11Kuroda轉(zhuǎn)換步驟4單擊"AddTransmissionLines",在輸入輸出端口分別添加一個(gè)元器件,選中,然后[Add]及[Transform],轉(zhuǎn)換后得到濾波器原理圖如圖12所示。圖12Kuroda轉(zhuǎn)換后的原理圖5選中"LC,TLinetoMicrostrip"選項(xiàng),設(shè)置基片厚度為30mil,基片介電常數(shù)為4.4,單擊[Transform],如圖13所示。圖13短截線到微帶線轉(zhuǎn)換步驟6選中濾波器元器件,單擊,得到子電路,如圖14所示。單擊可返回原理圖窗口。圖14轉(zhuǎn)化為微帶線后的電路圖Kuroda等效后仿真完成微帶濾波器設(shè)計(jì)后,需對(duì)該濾波器進(jìn)行仿真,以驗(yàn)其性能。1在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇"simulation-S_Param"元器件面板列表,添加兩個(gè)終端負(fù)載及S參量仿真控制器到原理圖中,完成設(shè)置的原理圖圖15所示。圖15濾波器原理圖仿真設(shè)置2單擊工具欄中執(zhí)行仿真,結(jié)束后放置兩個(gè)Marker點(diǎn),用來(lái)查看頻率響應(yīng)參數(shù),如圖16所示。圖16微帶線濾波器仿真結(jié)果上面結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)濾波器在6GH處的插入損耗為1.083dB,基本滿足設(shè)計(jì)要求。因此,通過(guò)Kuroda轉(zhuǎn)換后就可以得到想要的濾波器了。五.設(shè)計(jì)心得1.切比雪夫?yàn)V波器來(lái)自切比雪夫分布,以"切比雪夫"命名,是用以紀(jì)念俄羅斯數(shù)學(xué)家巴夫尼提·列波維其·切比雪夫。切比雪夫?yàn)V波器在過(guò)渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快,但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦。切比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器