射頻微帶900MHz帶阻濾波器的設(shè)計(jì)

上海電力學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕題目：射頻微帶900MHz帶阻濾波器的設(shè)計(jì)院系：計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院專業(yè)年級：通信工程專業(yè)xxx班學(xué)生姓名：xx學(xué)號(hào)：xxx指導(dǎo)教師：2023年6月10日射頻微帶900MHz帶阻濾波器的設(shè)計(jì)摘要當(dāng)前，無線通信技術(shù)高速開展，人們對無線產(chǎn)品的需求迅速增長，濾波器在這些產(chǎn)品電路中就扮演著重要的角色，隨著通信技術(shù)的開展而取得不斷進(jìn)展的同時(shí),對濾波器的需求也越來越多。本論文首先介紹了微波濾波器的開展歷史，現(xiàn)實(shí)社會(huì)中的應(yīng)用，當(dāng)前的研究情況以及仿真軟件ADS的運(yùn)用。然后根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)理論模型，運(yùn)用仿真軟件ADS進(jìn)行帶阻濾波器的設(shè)計(jì)仿真，主要介紹了巴特沃斯和切比雪夫等模型的帶阻濾波器的設(shè)計(jì)方法，以及微帶線濾波器的設(shè)計(jì)，同時(shí)借助ADS軟件對所涉及的帶阻濾波器進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，最終得到比擬理想的濾波器。關(guān)鍵詞：帶阻濾波器,切比雪夫,巴特沃斯,微帶濾波器,ADSRF900MHzBAND-STOPFILTERDESIGNAbstactCurrently,withthehigh-speeddevelopmentofwirelesscommunicationtechnology,thedemandforwirelessproductsisrapidlygrowing.Thefiltercircuitintheseproductsplayanimportantrole,andcontinuedprogresswiththedevelopmentofcommunicationtechnologyatthesametime,thedemandsforfilterisincreasinglyhigh.Thispaperfirstdescribesthehistoryofthedevelopmentofmicrowavefiltersintherealworldapplications,thecurrentstudy,aswellastheuseofsimulationsoftwareADS.Basedonthemathematicaltheoryoffilterdesignmodel,theuseofsimulationsoftwareADSdesignandsimulationofband-stopfilter.HerewemainlyintroducesthemodelofButterworthandChebyshlfband-stopfilterdesignmethods,andmicrostriplinefilterdesign,withtheADSsimulationandoptimizationsoftwareinvolvedintheband-stopfilters,andultimatelytotheidealfilter.Keywords:band-stopfilter,chebyshev,butterworth,microstriplinefilter,ADS目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論11.1濾波器概述11.1.1濾波器研究背景和意義11.1.2開展歷程及國內(nèi)外現(xiàn)狀21.1.3微波濾波器的概述21.2濾波器的根本理論31.2.1濾波器的原理、定義及分類31.2.2原型濾波器元件的歸一化及其計(jì)算31.3ADS2006A仿真軟件52切比雪夫與巴特沃斯帶阻濾波器設(shè)計(jì)82.1簡介及步驟介紹82.1.1切比雪夫?yàn)V波器簡介82.1.2階數(shù)的決定92.1.3歸一化切比雪夫低通濾波器92.1.4歸一化高通濾波器102.1.5由高通到帶阻的變換112.2實(shí)例研究122.2.13dB切比雪夫帶阻濾波器的設(shè)計(jì)122.2.21dB切比雪夫帶阻濾波器的設(shè)計(jì)162.3巴特沃斯帶阻濾波器設(shè)計(jì)202.3.1階數(shù)的選取202.3.2實(shí)例研究1212.3.3實(shí)例研究2242.4巴特沃斯帶阻濾波器與切比雪夫帶阻濾波器的比擬273微帶帶阻濾波器的設(shè)計(jì)273.1微帶線273.2微帶線濾波器的實(shí)現(xiàn)283.3實(shí)例研究30結(jié)論41謝辭42附錄LC濾波器設(shè)計(jì)參量43參考文獻(xiàn)441緒論1.1濾波器概述當(dāng)前，無線通信技術(shù)高速開展，業(yè)務(wù)范圍不斷擴(kuò)大，人們對無線產(chǎn)品的需求迅速增長，濾波器在這些產(chǎn)品電路中就扮演著重要的角色，并隨著通信技術(shù)的開展而取得不斷進(jìn)展。新的通信系統(tǒng)要求開展一種能在特定的頻帶內(nèi)提取和檢出信號(hào)的新技術(shù)，而這種新技術(shù)的開展進(jìn)一步加速了濾波器技術(shù)的研究和開展。由于在通訊，雷達(dá)，微波等部門，多頻率工作越來越普遍，對分割頻率的要求也相應(yīng)地提高，所以需用大量的濾波器。1.1.1濾波器研究背景和意義當(dāng)前，無線通信技術(shù)高速開展，業(yè)務(wù)范圍不斷擴(kuò)大，人們對無線產(chǎn)品的需求迅速增長，濾波器在這些產(chǎn)品電路中就扮演著重要的角色，并隨著通信技術(shù)的開展而取得不斷進(jìn)展。新的通信系統(tǒng)要求開展一種能在特定的頻帶內(nèi)提取和檢出信號(hào)的新技術(shù)，而這種新技術(shù)的開展進(jìn)一步加速了濾波器技術(shù)的研究和開展。對于無線通信系統(tǒng)而言，濾波器是一種關(guān)鍵的射頻器件。濾波器常常可以看成是一種二端口網(wǎng)絡(luò)，它具有劃分信道，篩選信號(hào)的功能，是一種重要的微波通信器件，它的性能的好壞往往會(huì)對整個(gè)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)纏身直接影響。信息產(chǎn)業(yè)和無線通信系統(tǒng)的快速開展導(dǎo)致的相對擁擠的微波頻帶使得頻帶劃分更加的精細(xì)，于是，各類通信系統(tǒng)所能使用的頻率間隔也越來越密，從而對濾波器的性能指標(biāo)的要求也越來越高。隨著科學(xué)技術(shù)的快速開展，新材料領(lǐng)域、新工藝方面也取得了長足的進(jìn)步，設(shè)計(jì)體積小、重量輕、性能高、本錢低的射頻/微波濾波器以及其它器件必將是工程設(shè)計(jì)和市場競爭的趨勢。這就是要求電路一方面要滿足電氣性能指標(biāo)，另一方面還要盡可能的減少電路所占用的空間。傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)出來的濾波器結(jié)構(gòu)尺寸一般比擬大，在性能指標(biāo)上也存在著一定程度上的局限性，往往不能夠滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的要求?，F(xiàn)在，在射頻、微波電路中較長選用的是波導(dǎo)濾波器、同軸電纜濾波器、帶專線濾波器、微帶線濾波器。由于微帶線結(jié)構(gòu)的微波濾波器體積小、重量輕、通過光刻術(shù)容易加工且方便與其他濾波器集成在一起，故許多電路均可使用此類濾波器。[1]開展歷程及國內(nèi)外現(xiàn)狀1917年美國和德國科學(xué)家分別創(chuàng)造了LC濾波器，次年導(dǎo)致了美國第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。20世紀(jì)50年代無源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的開展，濾波器開展上了一個(gè)新臺(tái)階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向。導(dǎo)致RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速開展，到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應(yīng)用。80年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍。90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當(dāng)然，對濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。我國廣泛使用濾波器是50年代后期的事，當(dāng)時(shí)主要用于話路濾波和報(bào)路濾波。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的開展，我國濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國際開展步伐，但由于缺少專門研制機(jī)構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來，使得我國許多新型濾波器的研制應(yīng)用與國際開展有一段距離。1.1.3微波濾波器的概述微波濾波器作為濾波器的一種，在移動(dòng)通信中有著廣泛的應(yīng)用。在射頻端有源電路中輸入輸出各級之間普遍存在，各濾波器都用不同的功能和特性要求。濾波器在發(fā)射機(jī)接收機(jī)各位置都起著舉足輕重的作用。接收機(jī)前段帶通濾波器的必要功能是防止由于發(fā)射端輸出信號(hào)泄露而使接收機(jī)前段飽和；除去如鏡頻一類的干擾信號(hào)；減少來自天線端的本機(jī)振蕩器的功率泄露。所以接收端帶通濾波器的最正確性能包括衰減以除去干擾，同事減少將直接影響接收端靈敏度的通帶插損。發(fā)射端帶通濾波器的根本功能是從發(fā)射端減少雜散輻射功率以防止對其他無線通信系統(tǒng)的干擾，這些無用的信號(hào)的主要成分是發(fā)射信號(hào)皮率的二、三次諧波和本機(jī)振蕩。另一個(gè)重要的功能是衰減掉發(fā)射信號(hào)中接受頻段內(nèi)的噪聲，抑制它到接收機(jī)的靈敏度之下。因此發(fā)射端帶通濾波器必須保持一個(gè)寬的阻帶以抑制雜散信號(hào)，同時(shí)能維持低的通帶插損和在輸出端處理大電平信號(hào)。1.2濾波器的根本理論1.2.1濾波器的原理、定義及分類濾波器是一種二端口網(wǎng)絡(luò)。它具有選擇頻率的特性，即可以讓某些頻率順利通過，而對其它頻率那么加以阻攔。通過濾波器時(shí)不衰減或衰減很小的頻帶稱為通帶，衰減超過某一規(guī)定值的頻帶稱為阻帶，位于通帶和阻帶之間的頻帶稱為過渡帶。但凡可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過，而極大地衰減或抑制其他頻率成分的裝置或系統(tǒng)都稱之為濾波器，相當(dāng)于頻率“篩子〞。只要改變?yōu)V波器的特性就可以得到不同的輸出。[2]濾波器的分類：根據(jù)頻率響應(yīng)特性的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻四種。按元件分類，濾波器可分為：有源濾波器、無源濾波器、陶瓷濾波器、晶體濾波器、機(jī)械濾波器、鎖相環(huán)濾波器、開關(guān)電容濾波器等。按信號(hào)處理的方式分類，濾波器可分為：模擬濾波器、數(shù)字濾波器。四、按通帶濾波特性分類，有源濾波器可分為：最大平坦型〔巴特沃思型〕濾波器、等波紋型〔切比雪夫型〕濾波器、線性相移型〔貝塞爾型〕濾波器。原型濾波器元件的歸一化及其計(jì)算目的：提高設(shè)計(jì)通用性歸一化定義：對于兩端帶有電阻終端的最大平坦濾波器，給定那么其原型元件值可以按下式計(jì)算：〔1-1〕對于兩端具有電阻終端的切比雪夫?yàn)V波器，當(dāng)其通帶波紋為它的原型元件值可按以下各式計(jì)算：〔1－2〕〔1－3〕其中〔1－4〕〔1－5〕〔1－6〕〔1－7〕〔1－8〕本次設(shè)計(jì)不再一一計(jì)算，參考附錄內(nèi)的的表格。一般歸一化低通濾波器有兩種可行結(jié)構(gòu)如圖1.1所示〔a〕并C串L(b)串L并C圖1.1標(biāo)出歸一化元件值的兩種多節(jié)低通濾波器等效電路所有g(shù)值都有數(shù)表可查，可以在相關(guān)文獻(xiàn)中查到。1.3ADS2006A仿真軟件ADS2006A軟件集成了四大仿真平臺(tái)：模擬/射頻仿真平臺(tái)、數(shù)字信號(hào)處理仿真平臺(tái)、Momentum電磁仿真平臺(tái)紅潤EMDS電磁仿真平臺(tái)。這四個(gè)平臺(tái)既可以獨(dú)立工作又彼此聯(lián)系，在軟件內(nèi)部進(jìn)行協(xié)同仿真。[3]ADS工作窗口ADS主要操作窗口包括主窗口、原理圖窗口、數(shù)據(jù)顯示窗口和Momentum/Layout窗口等。主窗口運(yùn)行ADS2006A軟件，進(jìn)入ADS主窗口，如圖2.1所示。ADS主窗口主要用來進(jìn)行工程和文件的創(chuàng)立及管理。主窗口包括菜單欄、工具欄、文件瀏覽區(qū)和工程管理區(qū)。其中，文件瀏覽區(qū)和工程管理區(qū)又有文件視圖和工程視圖兩個(gè)選項(xiàng)卡。下面介紹主窗口的根本操作和應(yīng)用。圖1.2ADS主窗口圖1.2ADS主窗口原理圖窗口單擊菜單命令【File】→【NewDesign】，新建一個(gè)原理圖，彈出圖1.3所示的對話框。圖1.3圖1.3“NewDesign〞對話框其中，網(wǎng)絡(luò)類型(TypeofNetwork)包括模擬/射頻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和數(shù)字信號(hào)處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)兩種；設(shè)計(jì)窗口的類型包括原理圖窗口〔NewSchematicWindow〕和幅員窗口〔NewLayoutWindow〕。對話框中還可以直接調(diào)用原理圖模板和設(shè)置長度單位。設(shè)定好新的原理圖參數(shù)之后，單擊【OK】按鈕，彈出圖1.4所示的原理圖向?qū)?。在這里可以選擇進(jìn)行電路或仿真的模板設(shè)計(jì)，也可以單擊【Cancel】按鈕關(guān)閉向?qū)АＴ韴D編輯窗口如圖1.4所示：圖1.4圖1.4原理圖向?qū)D1.5原理圖編輯窗口圖1.5原理圖編輯窗口數(shù)據(jù)顯示窗口當(dāng)仿真運(yùn)行完成后，ADS會(huì)自動(dòng)彈出數(shù)據(jù)顯示窗口，如圖1.6所示，為了能對結(jié)果進(jìn)行直觀的分析，用戶需要利用數(shù)據(jù)顯示窗口把仿真得到的數(shù)據(jù)以各種方式顯示出來。圖1.6圖1.6數(shù)據(jù)顯示窗口2切比雪夫與巴特沃斯帶阻濾波器設(shè)計(jì)2.1簡介及步驟介紹2.1.1切比雪夫?yàn)V波器簡介一個(gè)適當(dāng)?shù)臑V波器幅度平方函數(shù)是〔2-1〕式中式一個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，它決定了波紋幅度。具有2-1所給出的幅度平方函數(shù)的濾波器稱為n階歸一化低通切比雪夫?yàn)V波器，簡稱切比雪夫?yàn)V波器。[4]根據(jù)式5-1和切比雪夫多項(xiàng)式的性質(zhì)，n階歸一化低通切比雪夫?yàn)V波器具有以下根本特性：切比雪夫特性一：對于和1之間波動(dòng)。在內(nèi)總共有n個(gè)極點(diǎn)，在這些點(diǎn)上或?yàn)槠渥畲笾?或?yàn)槠渥钚≈?。這就是切比雪夫?yàn)V波器又成為等波紋濾波器的原因。切比雪夫特性二：當(dāng)時(shí)，單調(diào)下降到零，高頻降落時(shí)每十倍頻程20dB。切比雪夫特性三：n階切比雪夫的幅度平方函數(shù)滿足：〔2-2〕，當(dāng)n為奇數(shù)〔2-3〕和，當(dāng)n為偶數(shù)〔2-4〕給定一組通帶和阻帶條件，就可以確定波紋參數(shù)和切比雪夫?yàn)V波器的階數(shù)n。通常是給出通帶最大波紋衰減來代替，這里〔2-5〕因此，波紋參數(shù)由下式確定〔2-6〕階數(shù)的決定設(shè)定為歸一化頻率稱為截止頻率。規(guī)定在頻帶范圍內(nèi)最小衰減AS。另外，規(guī)定在某一頻率上，衰減不得大于Ap。范圍是阻帶范圍是通帶，是過渡帶。由上式可得〔2-7〕由此得2.1.3歸一化切比雪夫低通濾波器本文所說的歸一化低通濾波器，是指特征阻抗為1Ω，且截止頻率為1/〔2π〕Hz的低通濾波器。在設(shè)計(jì)切比雪夫低通濾波器的時(shí)候，是以切比雪夫歸一化低通濾波器的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的濾波器，把它的等起伏帶寬截止頻率和特征阻抗的值，變換成帶設(shè)計(jì)濾波器的等起伏帶寬截止頻率和特征阻抗的值。[5]實(shí)現(xiàn)截止頻率變換的步驟是先求出待設(shè)計(jì)濾波器等起伏帶寬截止頻率與基準(zhǔn)等起伏帶寬截止頻率的比值M，并用這個(gè)M去除基準(zhǔn)濾波器的各元件值?！?-9〕〔2-10〕〔2-11〕實(shí)現(xiàn)特征阻抗變換的步驟是先求出待設(shè)計(jì)濾波器特征阻抗與基準(zhǔn)濾波器特征阻抗的比值K，并把經(jīng)過截止頻率變換后所得到的濾波器各電感元件值乘以K，把各電容元件值除以K?！?-12〕〔2-13〕〔2-14〕完成了以上過程，就可以查表求出歸一化低通切比雪夫?yàn)V波器的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。[6]2.1.4歸一化高通濾波器歸一化HPF的計(jì)算步驟特征阻抗變換截止頻率變換求所有元件值的倒數(shù)歸一化濾波器交換電容和線圈位置歸一化HPF的計(jì)算步驟特征阻抗變換截止頻率變換求所有元件值的倒數(shù)歸一化濾波器交換電容和線圈位置圖2.1高通濾波器的設(shè)計(jì)步驟高通濾波器的設(shè)計(jì)其實(shí)很簡單，分為兩個(gè)階段，第一階段是從歸一化的低通濾波器求出歸一化的高通濾波器，第二階段是對已經(jīng)求得的歸一化高通濾波器進(jìn)行截止頻率變換和特征阻抗變換。2.1.5由高通到帶阻的變換一個(gè)帶阻濾波器可以按照以下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，給定帶阻范圍〔阻帶最小衰減〕通帶邊界頻率和，阻帶邊界頻率和，通帶最大衰減Ap，先求出和的集合平均值，即阻帶的中心頻率〔2-15〕如果給定的和能夠滿足條件那么這樣就得到了條件：,根據(jù)這個(gè)條件可以綜合原型。然后根據(jù)元件值的變換關(guān)系，得到帶阻的元件值。一般說來，所給定的和不一定滿足上式，也就是不一定對中心頻率作幾何對稱。在這種情況下應(yīng)該求出和對作幾何對稱的頻率即〔2-17〕由此可得到兩個(gè)不同的通帶邊界帶寬：〔2-18〕取兩個(gè)中的最小值作為實(shí)際通帶邊界寬帶。由于濾波器的設(shè)計(jì)經(jīng)常被人們所用，因此很多出色的工程師把一些復(fù)雜的運(yùn)算過程按照規(guī)律整理成了圖表，是設(shè)計(jì)變得簡單。在本次設(shè)計(jì)也可以用來簡化我們的設(shè)計(jì)，以下圖就是把高通原型中的四種根本構(gòu)成單元轉(zhuǎn)換到帶阻濾波器的對應(yīng)關(guān)系。[7]圖2.2高通濾波器轉(zhuǎn)化為帶阻濾波器2.2實(shí)例研究2.2.13dB切比雪夫帶阻濾波器的設(shè)計(jì)濾波器指標(biāo)：帶寬：BW=120MHz步驟一：求和階數(shù)n；通帶中心頻率：：由此得因此選取阻帶寬帶為根據(jù)切比雪夫?yàn)V波器的階數(shù)計(jì)算公式，得步驟二：n=3階3dB切比雪夫低通濾波器〔原型截止頻率為1/〔2π〕Hz，特征阻抗為1〕的元件值如表2-1表2-1低通原型元件值ng1g2g333.34870.71173.3487選擇并C串L模型：圖2.3并C串L模型步驟三：低通濾波器轉(zhuǎn)換為高通濾波器：電容變成電感，電感變成電容。元件值取倒數(shù)，元件值如表2-2。表2-2高通原型元件值nL1C2L330.29861.40510.2986步驟四：頻率變化：變化后的元件值如表2-3表2-3頻率變換后的元件值nL1C2L33158.493745.806158.493阻抗變換：K=50Ω變換后的值如表2-4表2-4阻抗變換后的元件值nL1nHC2pFL3nH37.9237.37.92步驟五：高通濾波器轉(zhuǎn)化為帶阻濾波器：由圖2.2Ⅰ和Ⅱ類型的電路轉(zhuǎn)可以轉(zhuǎn)換出帶阻濾波器的電路結(jié)構(gòu)，我們在仿真軟件ADS中進(jìn)行電路連接，如圖2.4所示：圖2.4帶阻濾波器原理圖根據(jù)圖2.2中的公式轉(zhuǎn)換元件值得到帶阻濾波器的元件值如表2-5所示：表2-5帶阻濾波器元件值L1C2L37.9214.97.92C1L2C33.952.13.95電容的單位為pF電阻的單位為nH步驟六：由于取了近似值，計(jì)算難免有誤差。這是需要用仿真軟件ADS工具欄中的調(diào)諧功能，對元件參數(shù)進(jìn)行未調(diào)整，以到達(dá)更好的效果。圖2.5調(diào)諧按鈕仿真結(jié)果如圖2.6所示：圖2.6仿真結(jié)果由圖2.6衰減曲線可知：阻帶840——960MHz內(nèi)的最小衰減為33.896dB，通帶內(nèi)的波紋衰減為2.998dB，符合設(shè)計(jì)要求。2.2.21dB切比雪夫帶阻濾波器的設(shè)計(jì)濾波器指標(biāo)：帶寬：BW=120MHz步驟一：求和階數(shù)n；通帶中心頻率：由此得因此選取阻帶寬帶為根據(jù)切比雪夫?yàn)V波器的階數(shù)計(jì)算公式，得步驟二：n=3階1dB切比雪夫低通濾波器原型〔截止頻率為1/〔2π〕Hz，特征阻抗為1〕的元件值如表2-6表2-6低通原型元件值ng1g2g332.21601.08832.2160選擇并C串L模型：圖2.7并C串L步驟三：低通濾波器轉(zhuǎn)換為高通濾波器：電容變成電感，電感變成電容。元件值取倒數(shù)，元件值如表2-7。表2-7高通原型元件值nL1C2L330.45120.91890.4512步驟四：頻率變化：變化后的元件值如表2-8表2-8頻率變換后的元件值nL1C2L33239.490487.739239.490阻抗變換：K=50Ω變換后的值如表2-9表2-9阻抗變換后的元件值nL1C2L3311.529.7511.52步驟五：高通濾波器轉(zhuǎn)化為帶阻濾波器：由圖2.0知Ⅰ和Ⅱ類型的電路轉(zhuǎn)可以轉(zhuǎn)換出帶阻濾波器的電路結(jié)構(gòu)，我們在仿真軟件ADS中進(jìn)行電路連接，如圖2.7所示：圖2.7切比雪夫帶阻濾波器原理圖根據(jù)圖2.1中的公式轉(zhuǎn)換元件值得到帶阻濾波器的元件值如表2-10：表2-10帶阻濾波器元件值L1C2L311.529.7511.52C1L2C32.713.212.71電容的單位為pF電阻的單位為步驟六：調(diào)諧之后，仿真結(jié)果如圖下示仿真結(jié)果如圖2.8所示：圖2.8仿真結(jié)果由圖2.8衰減曲線可知：阻帶840——960MHz內(nèi)的最小衰減為29.298dB，通帶內(nèi)的波紋衰減小于1dB，符合設(shè)計(jì)要求。2.3巴特沃斯帶阻濾波器設(shè)計(jì)2.3.1階數(shù)的選取最大平坦低通濾波器特性曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：〔2-47〕式中滿足關(guān)系式〔2-48〕其中wp是通帶的截止頻率，AP為其對應(yīng)的衰減；參數(shù)n為濾波器的階數(shù)。這種衰減特性曲線之所以稱為最大平坦曲線，是由于式〔2-47〕方括號(hào)中的量在處〔2n-1〕階的導(dǎo)數(shù)為零。大多數(shù)場合，最大平坦濾波器的wp定義為衰減的通帶截止點(diǎn)。[8]巴特沃斯濾波器的階數(shù)取決于阻帶的截止頻率所對應(yīng)的最小衰減，即：〔2-49〕聯(lián)立式〔2-48〕和式〔2-49〕可得：〔2-50〕2.3.2實(shí)例研究1步驟一：確定規(guī)格帶寬：BW=120MHz步驟二：計(jì)算濾波器階數(shù)〔2-51〕〔注：取最小值，是為了保證給定的和都位于阻帶內(nèi)?！称渲校?3.53，所以n取5…………〔2-53〕步驟三：選取并C串L電路，查表得元件值如表2-11所示：表2-11低通型元件值g1g2g3g4g50.61801.61802.00001.61800.6180步驟四：低通濾波器向高通濾波器轉(zhuǎn)換，電容變電阻，電阻變電容，元件值取倒數(shù)結(jié)果如表2-12所示:表2-12高通元件值L1C2L3C4L51.61810.61800.50000.61801.6181步驟五：頻率變換M=1.884E-9元件值如表2-13所示表2-13頻率變換后的元件值L1C2L3C4L5858.86328.02265.39328.02858.86阻抗變換：K=50Ω阻抗變換后的元件值如表2-14所示：表2-14元件值L1C2L3C4L542..946.5613.276,5642.94電容的單位pF電阻的單位為nH步驟六：高通濾波器像帶阻濾波器的轉(zhuǎn)換根據(jù)圖2.2中的轉(zhuǎn)換。巴特沃斯帶阻濾波器實(shí)現(xiàn)的原理圖，如以下圖2.9所示。圖2.9巴特沃斯濾波器的實(shí)現(xiàn)元件值計(jì)算結(jié)果如表2-15所示：表2-15巴特沃斯濾波器元件值L1C2L3C4L542.946.5613.276,5642.94C1L2C3L4C50.734.772.364.770.73電容的單位為pF電阻的單位為nH步驟七：根據(jù)理論計(jì)算值進(jìn)行仿真，帶阻內(nèi)的最小衰減不達(dá)要就，此時(shí)需要用到調(diào)諧功能對元件進(jìn)行微調(diào)整。仿真結(jié)果及分析，如圖2.10所示。圖2.10濾波器的S21參數(shù)曲線由圖2.10衰減曲線可知：阻帶840MHz——960MHz內(nèi)的最小衰減為35.081dB，通帶內(nèi)的衰減小于1dB，符合設(shè)計(jì)要求。2.3.3實(shí)例研究2步驟一：確定規(guī)格帶寬：BW=120MHz步驟二：計(jì)算濾波器階數(shù)=2.71，n取3…………〔2-54〕步驟三：選取并C串L電路，查表得元件值如表2-16所示：表2.16低通型元件值ng1g2g331.00002.00001.0000步驟四：低通濾波器向高通濾波器轉(zhuǎn)換，電容變電阻，電阻變電容，元件值取倒數(shù)結(jié)果如表2-17所示：表2-17高通元件值nL1C2L3310.51步驟五：頻率變換M=1.884E-9元件值如表2-18所示表2-18頻率變換后的元件值nL1C2L33530.78265.39530.78阻抗變換：K=50Ω阻抗變換后的元件值如表2-19所示：表2-19元件值nL1C2L3326.555.3126.55電容的單位為pF電阻的單位為nH步驟六：高通濾波器像帶阻濾波器的轉(zhuǎn)換根據(jù)圖2.2中的轉(zhuǎn)換。巴特沃斯帶阻濾波器實(shí)現(xiàn)的原理圖，如以下圖2.11所示。圖2.11巴特沃斯濾波器的實(shí)現(xiàn)元件值計(jì)算結(jié)果如表2-20所示：表2-20巴特沃斯濾波器元件值L1C2L326.555.3126.55C1L2C31.175.885.88電容的單位為pF電阻的單位為nH步驟七：根據(jù)理論計(jì)算值進(jìn)行仿真，帶阻內(nèi)的最小衰減不達(dá)要就，此時(shí)需要用到調(diào)諧功能對元件進(jìn)行微調(diào)整。仿真結(jié)果及分析，如圖2.12所示。圖2.12濾波器的S21參數(shù)曲線由圖2.12衰減曲線可知：阻帶840MHz——960MHz內(nèi)的最小衰減為22.850dB，通帶內(nèi)的衰減小于2.951dB，符合設(shè)計(jì)要求。2.4巴特沃斯帶阻濾波器與切比雪夫帶阻濾波器的比擬通過仿真波形可以看出，當(dāng)帶寬，最小阻帶衰減，最大通帶衰減相同的情況下，巴特沃斯濾波器的階數(shù)要大于切比雪夫?yàn)V波器，就計(jì)算方面切比雪夫?yàn)V波器要比巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)簡便。巴特沃斯濾波器的特征是通帶區(qū)域中沒有增益的起伏，衰減區(qū)域的傾斜就是截止頻率附近開始的，由于巴特沃斯濾波器的衰減曲線平滑，所以用仿真軟件調(diào)諧時(shí)也比擬輕松地到達(dá)設(shè)計(jì)要求。切比雪夫?yàn)V波器在通過的區(qū)域允許的波動(dòng)下其截止特性有非常大的傾斜，能夠在截止頻率附近獲得最大的傾斜。[9]3微帶帶阻濾波器的設(shè)計(jì)3.1微帶線微帶線是位于接地層上由電介質(zhì)隔開的印制導(dǎo)線，它是一根帶狀導(dǎo)〔信號(hào)線〕。與地平面之間用一種電介質(zhì)隔離開。印制導(dǎo)線的厚度、寬度、印制導(dǎo)線與地層的距離以及電介質(zhì)的介電常數(shù)決定了微帶線的特性阻抗。如果線的厚度、寬度以及地平面之間的距離是可控制的，那么它的特性阻抗也是可以控制的。單位長度微帶線的傳輸延遲時(shí)間，僅僅取決于介電常數(shù)而與線的寬度或間隔無關(guān)帶狀線是介于兩個(gè)接地層之間的印制導(dǎo)線，它是一條置于兩層導(dǎo)電平面之間的電介質(zhì)中間的銅帶線。他的特性阻抗和印制導(dǎo)線的寬度、厚度、電介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩個(gè)接層的距離有關(guān)。如果線的厚度和寬度、介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩層導(dǎo)電平面間的距離是可控的，那么線的特征阻抗也是可控的。微帶線的特性阻抗如3-1和模型〔如圖3.1所示〕(3-1)圖3.1表層微帶線模型其中Z0是微帶線的特性阻抗，w是微帶線寬度，t是微帶線厚度，h是電介質(zhì)厚度是硬質(zhì)電路板的相對介電常數(shù)。3.2微帶線濾波器的實(shí)現(xiàn)工作頻率超過500MHz的濾波器是難于采用分立元件實(shí)現(xiàn)的，這是由于工作波長與濾波器元件的物理尺寸相近，從而造成了多方面的損耗并使電路性能嚴(yán)重惡化。所以實(shí)際濾波器的實(shí)現(xiàn)必須講集總參數(shù)元件變?yōu)榉植紖?shù)元件。1.Richards變換原理為了將集總參數(shù)元件變換成分布參數(shù)元件，Richards提出了一種獨(dú)特的變換，該變換可將一段開路〔短路〕傳輸線等效于分布的電感〔電容〕元件。由傳輸線理論知，一段特性阻抗為Z0的終端短路傳輸線具有純電抗性輸入阻抗：(3—2)其中θ為電長度，為了使它與頻率的關(guān)系更加明顯，它也可以用以下方法來表式。假設(shè)傳輸線的長度為λ0／8，而相應(yīng)的工作頻率為，那么電長度可表示：其中β為傳播常數(shù)，vp為相速度，Ω為歸一化頻率，將〔3-3〕式代人〔3-2〕式，那么電感性集總參數(shù)元件可以用一段短路傳輸線來實(shí)現(xiàn)：同理，電容性集總參數(shù)元件也可以用一段開路傳輸線來實(shí)現(xiàn)：利用Richards變換可以用特性阻抗Z0＝L的一段短路傳輸線替代集總參數(shù)電感，也可以用特性阻抗Z0＝1／C的一段開路傳輸線替代集總參數(shù)電容。由于傳輸線的長度選為λ0／8〔也可選為λ0／4〕，變換過程將集總參數(shù)元件在［0，∞〕區(qū)間的頻率響應(yīng)映射到［0，4〕區(qū)間，以及正切函數(shù)的周期性，使頻率響應(yīng)被限制在［0，2〕區(qū)間。在將集總參數(shù)元件轉(zhuǎn)變成傳輸線段時(shí)，要分解傳輸線元件，也就是要插入單位元件〔UE〕來得到可以實(shí)現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)。單位元件的電長度為：特性阻抗為ZUF。單位元件可以看成是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)二端口理論，對于長度為ｌ，阻抗特性為ZUE，傳播常數(shù)為β，其ABCD參量表達(dá)式為：(3-6)2.Kuroda規(guī)那么為了方便各種傳輸線結(jié)構(gòu)之間的相互變換，使工程上難于實(shí)現(xiàn)的濾波器形式變換成容易實(shí)現(xiàn)的形式，Kuroda提出了四個(gè)電路變換規(guī)那么，由于本文中只用了其中兩個(gè)，故列出其中兩個(gè)如圖1。[10]圖3.2Kuroda變換準(zhǔn)那么3.3實(shí)例研究微帶巴特沃斯帶阻濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)：中心頻率：900MHz阻帶頻率范圍：840MHz--960MHz通帶內(nèi)最大衰減小于3dB阻帶內(nèi)最小衰減20dB系統(tǒng)特性阻抗50Ω帶寬120MH微帶線基板厚度選為1mm,基板的相對介電常數(shù)選為2.7mm在設(shè)計(jì)帶阻濾波器時(shí)候，假設(shè)采用線段定義的Richards變換，我們在處將遇到困難，因?yàn)榇藭r(shí)正切函數(shù)值為1而非最大值。然而，如果采用線段，那么處正切函數(shù)值趨于無窮大，正好符合阻帶設(shè)計(jì)要求。[11]這需要引入所謂的帶寬系數(shù)：(3-7)其中：(3-8)計(jì)算步驟如下：1.前文中已經(jīng)計(jì)算過n=3因此選擇3階3dB巴特沃斯濾波器參數(shù)2．用傳輸線替換電阻和電容，微帶線的特性阻抗和特性導(dǎo)納為帶寬系數(shù)與歸一化參數(shù)的乘積3．根據(jù)Kuroda準(zhǔn)那么將串聯(lián)短線變換為并聯(lián)短線利用Kuroad規(guī)那么將串聯(lián)短線變成并聯(lián)短線后的元件值計(jì)算結(jié)果如表3-2所示：表3-2Kuroad規(guī)那么變換后的元件值Z1ZUE1Z2ZUE2Z33.41421.41421.20711.41423.4142一、利用ADS設(shè)計(jì)并仿真微帶帶阻濾波器的原理圖：步驟一：創(chuàng)立原理圖步驟二：利用ADS的工具tools完成對微帶線的計(jì)算1．設(shè)置微帶線參數(shù)在微帶線元件面板上，選擇MSUB插入到原理圖的畫圖區(qū)，設(shè)置參數(shù)如圖3.3所示：圖3.3MSUB設(shè)置2．在微帶線元件面板上，選擇一個(gè)微帶線MLIN插入原理圖的畫圖區(qū)。選擇tools菜單>LinCalc>sendselectedcomponenttolinecalc彈出LinCalc窗口如以下圖3.4所示：圖3.4LineCalc設(shè)置通過上述計(jì)算得到的數(shù)據(jù)如表3-3所示：表3-3計(jì)算微帶短截線的尺寸節(jié)的名稱特性阻抗Ω相移°微帶線寬度微帶線長度單位元件167.8901.569820mm28.5552mm單位元件238.3903.91549mm27.5861mm短截線1190.7900.045322mm30.8136mm短截線2204.4900.02617mm30.9957mm短截線369.6901.4948mm28.6042mm系統(tǒng)阻抗502.6335mm步驟三：設(shè)計(jì)原理圖如圖3.5，3.6所示：圖3.5微帶短截線濾波器帶阻濾波器圖3.6帶有終端負(fù)載的微帶短截線濾波器帶阻濾波器原理圖步驟四原理圖仿真設(shè)置S參數(shù)如圖3.7所示：圖3.7S參數(shù)設(shè)置仿真結(jié)果如圖3.8所示：圖3.8帶阻濾波器衰減曲線由上圖3.8可以看出，S21曲線在750MHz與1050MHz等處均不滿足技術(shù)指標(biāo)。步驟五：原理圖優(yōu)化與仿真曲線不滿足技術(shù)指標(biāo)，需要調(diào)整原理圖，采用優(yōu)化方法調(diào)整原理圖。在優(yōu)化與仿真之前，首先設(shè)置變量，然后再添加優(yōu)化控件和目標(biāo)控件，當(dāng)設(shè)置完優(yōu)化控件和目標(biāo)控件后，就可以仿真了1，對微帶線導(dǎo)體帶和T型結(jié)進(jìn)行變量設(shè)置，如圖3.9所示：圖3.9重新設(shè)置濾波器2．在原理圖中添加元件VAR并對變量x1，x2，x3進(jìn)行設(shè)置，如圖3.10，圖3.11所示：圖3.10變量控件.圖3.11變量參數(shù)的設(shè)置3．添加優(yōu)化控件【Optim/Stat/Yield/DOE]并設(shè)置，添加目標(biāo)控件Goal并設(shè)置，如圖3.12所示：圖3.12原理圖中的優(yōu)化控件和目標(biāo)控件4．仿真，結(jié)果如圖3.13所示：圖3.13帶阻濾波器衰減曲線由圖3.13可見在截止頻率840MHz——960MHz均大于最小阻帶衰減頻率，通帶內(nèi)的波紋衰減低于3dB，以上數(shù)據(jù)滿足技術(shù)指標(biāo)。三、生成幅員1、在原理圖上去掉濾波器兩個(gè)端口的Term、“接地〞和“優(yōu)化控件。如圖3.14所示：圖3.14去掉Term、“接地〞和“優(yōu)化控件〞的原理圖2.選擇原理圖上的【Layout】菜單>[Generate/UpdateLayout】，彈出【Generate/UpdateLayout】設(shè)置窗口，單機(jī)窗口上【OK】默認(rèn)設(shè)置。然后確認(rèn)，完成幅員生成。幅員生成狀態(tài)窗口如圖3.15所示：she圖3.15生成幅員狀態(tài)窗口3.選擇幅員工具欄上的端口Port，幅員視窗會(huì)自動(dòng)翻開,兩次插入幅員，輸入端口設(shè)置為端口1，輸出端口設(shè)置為端口2。如圖3.16所示：圖3.16濾波器原理圖生成的幅員4.設(shè)置微帶線參數(shù)，如圖3.17所示：圖3.17微帶參數(shù)設(shè)置5.幅員仿真選擇幅員視窗中的【Momentum]菜單>[Simulation]>[S-Paramete]命令，翻開仿真控制【SimulationControl]窗口。在仿真控制【SimulationControl]窗口設(shè)置如下，如圖3.18所示：圖3.18幅員仿真控制窗口6.單機(jī)仿真控制窗口中的【Simulation]按鈕，開始仿真。在數(shù)據(jù)顯示窗口中，用矩形圖形表示S21曲線，如圖3.19所示：圖3.19濾波器幅員仿真數(shù)據(jù)有上述數(shù)據(jù)可以看出，在頻率750MHz和1050MHz兩點(diǎn)的衰減不滿足技術(shù)指標(biāo)。7.調(diào)整原理圖，取x1=2.8341mm，x2=0.128mm，x3=0.9094mm圖3.20修改以后的幅員仿真曲線圖3.20的S21參數(shù)滿足技術(shù)要求，最后選取第二次仿真后的尺寸作為微帶短截線帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)圖。結(jié)論本次研究的課題是是900MHz帶阻濾波器的設(shè)計(jì)，主要研究以巴特沃斯和切比雪夫兩種低通濾波器為原型進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過比擬可以看出，切比雪夫相對于巴特沃斯的優(yōu)勢就是它的滾降更加陡峭，但是在通帶〔阻帶〕內(nèi)頻率響應(yīng)有等幅波動(dòng)，巴特沃斯恰恰相反，滾降不夠陡峭，但是在通帶內(nèi)是最平坦的，所以被譽(yù)為“通帶最平坦濾波器〞，可根據(jù)具體要求進(jìn)行選擇，但是在參數(shù)相同的情況下，運(yùn)用巴特沃斯原理設(shè)計(jì)的濾波器的階數(shù)可能會(huì)高于切比雪夫。通過本次設(shè)計(jì)我了解濾波器設(shè)計(jì)的根本原理和步驟，并能夠熟練地運(yùn)用ADS軟件進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)，從中我只了解到了一個(gè)射頻工程師局部工作內(nèi)容，對我未來要從事的行業(yè)有了更加清晰的了解。謝辭經(jīng)過兩個(gè)多月的學(xué)習(xí)和努力，我終于完成了《射頻微帶900MHz帶阻濾波器的設(shè)計(jì)》的論文設(shè)計(jì)。從拿到題目到課題設(shè)計(jì)內(nèi)容的的實(shí)現(xiàn)，再到論文文章的完成，每一步對我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)，這也是我在大學(xué)期間獨(dú)立完成的