1、电磁场与微波技术课程设计1电磁场与微波技术课程设计报告课题： 微带低通滤波器的设计 专业： 通信工程 班级： 0802 姓名： 曾水香 林少玲 范洁然 指导老师： 胡驰 设计时间： 2011 年 3月 13日2010 年 6月 13日 福建工程学院电子信息与电气工程系通信教研室电磁场与微波技术课程设计2前言微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号, 使其不能通过滤波器, 只让需要的信号通过。在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重要的意义。微带电路具有体积小，重量轻、频带宽
2、等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应用之一，因此本次设计是对微带滤波器的学习，以及熟悉 ADS软件的使用，与此同时加深对微波的理解。滤波器是一种选择装置，他对输入信号进行加工和处理，从中选出某些特定的信号进行输出，主要任务是对输入信号进行选频加权传输。电磁场与微波技术课程设计3目录1 微带滤波器的原理32 滤波器的分类33 微带滤波器的设计指标44 微带低通滤波器的设计44.1建立工程64.2原理图和电路参数设计64.3 微带线的设计步骤电磁场与微波技术课程设计4114.4 设计图的仿真144.5 优化电路参数155 设计小结216 设计心得217 参考资料2
3、1电磁场与微波技术课程设计51 微带低通滤波器的原理低通滤波器根据定义应该是：在通带内滤波器的变换器损耗 LA为零, 而在止带内 LA应该无穷大。低通滤波器是指车载功放中能够让低频信号通过而不让中、高频信号通过的电路，其作用主要有两个，一是滤去信号中的中频和高频成分，使滤波器输出的低频有用信号成分尽可能强；二是抑制信号带外噪声，使滤波器输出噪声的成分尽可能小，减小噪声对信号的影响。微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联
4、短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还是值得应用的。本设计采用切比雪夫滤波器，实际设计中可以用近似公式求)1(cosh/)1(cosh)2ln(1 2saN其中， ， ， 10/ArL 01012tantf02tanfss20/1AsL（4-1b）为阻带衰减的频率， 为通带衰减最大值， 为阻带衰减最小值。sf ArLAsL但为了方便，通常可以由查阅已做好的图表得出。如下图 1-1所示：电磁场与微波技术课程设计62 微带滤波器的设计指标微带滤波器的设计指标主要包括：（1）绝对衰减（Absolut
5、e attenuation）：阻带中最大衰减（dB）。 （2）带宽（Bandwidth）：通带的 3dB带宽（flowfhigh）。（3）中心频率：fc 或 f0。（4）截止频率：下降沿 3dB点频率。（5）每倍频程衰减（dB/Octave）：离开截止频率一个倍频程衰减（dB）。 （6）微分时延（differential delay）：两特定频率点群时延之差以 ns计。 （7）群时延（Group delay）：任何离散信号经过滤波器的时延（ns）。（8）插入损耗（insertion loss）：当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减，dB （9）带内波纹（passband ripple）：
6、在通带内幅度波动，以 dB计。（10）相移（phase shift）：当信号经过滤波器引起的相移。 （11）品质因数 Q（quality factor）：中心频率与 3dB带宽之比。 （12）反射损耗（Return loss） (13)形状系数（shape factor）：定义为。 (14)止带（stop band或 reject band）：对于低通、高通、带通滤波器，指衰减到指定点（如 60dB点）的带宽。工程应用中，一般要求我们重点考虑通带边界频率与通带衰减、阻带边界频率与阻带衰减、通带的输入电压驻波比、通带内相移与群时延、寄生通带。前两项是描述衰减特性的，是滤波器的主要技术指标，决定了
7、滤波器的性能和种类(高通、低通、带通、带阻等)；输入电压驻波比描述了滤波器的反射损耗的大小；群时延是指网络的相移随频率的变化率，定义为 dU/df ，群时延为常数时，信号通过网络才不会产生相位失真；寄生通带是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的，它是离设计通带一定距离处又出现的通带，设计时要避免阻带内出现寄生通带。3微带低通滤波器的设计本次计一个微带低通滤波器，滤波器的指标如下：通带截止频率：5.8GHz阻带增益：在 6.3GHz以上大于 25dB，由滤波器的 S21参数决定。通带内的反射系数：小于 0.2dB，由滤波器的 S11参数决定。在进行设计时，我们主要是以滤波器的 S参数作为优化
8、目标。S21(S12)是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及增益、衰减全都表现在 S21(S12)随频率变化的曲线上。S11(S22)参数是输入、输出端口的反射系数，如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。了解了滤波器的设计原理以及设计指标后，下面开始设计微带低通滤波器。为了方便起见，用 ADS本身自带的功能计算所需的阶数。3.1建立工程新 建工程，选择【File】【New Project】 ，系统出现新建工程对话框。在 name栏中输入工程名：k，并在 Project Technology Files栏中选择 ADS Standard：Length un
9、itmillimeter，默认单位为 mm，如图所示。单击OK，完成新建工程，此时原理图设计窗口会自动打开。电磁场与微波技术课程设计73.2原理图和电路参数设计工程文件创立完毕后，下面介绍微带低通滤波器的原理图设计过程。由于 ADS中自带了一个滤波器的设计工具，因此为了得到微带滤波器，我们先用集总参数元件设计符合要求的低通滤波器，然后再转换成分布参数的滤波器，具体过程如下：1进入 ADS主窗口后，在已建立的工程 k_prj中新建New Design一个原理图设计窗口2 选择菜单栏中的【Design Guide】下的【Filter】命令系统将弹出一个名称为“Filter:1”的窗口如图所示：电磁
10、场与微波技术课程设计82 在“Filter：1”窗口选择“Filter Control Window”，单击【OK】 ，系统弹出名为“FilterDesignGuide”窗口，如图所示：4 点击【component palette -All】显示各种滤波器，选择低通滤波器 ，在设计界面上点击得到图5 回到“FilterDesignGuide”窗口，点击 filter assistant，得到下图：电磁场与微波技术课程设计96、调整参数，如图所示：7、将参数全部显示于图中，点击【ok】：电磁场与微波技术课程设计108、 单击菜单栏的图标 ，生成低通滤波器原型，如下图所示：电磁场与微波技术课程设计
11、119、 在原理图上加上负载后，其波形如图所示：3.3 微带线的设计步骤1、 根据滤波器的原型元件参数计算相移，微带线的最高阻抗和最低阻抗分别取 120欧姆和 15欧姆，再利用公式 ，=().（ 180）=()（ 180）利用【tool】中的 linecalc计算，结果填于下表中：电磁场与微波技术课程设计12元件 W（mm） L(mm)并联电容 0.71986555 12.38 12.978400 1.118860串联电感 1.964145 46.9 0.405680 4.785930并联电容 1.236842 21.27 12.978400 1.922310串联电感 2.186733 52.
12、23 0.405680 5.329830并联电容 1.283787 22.08 12.978400 1.995520串联电感 2.2213 53.06 0.405680 5.414530并联电容 1.291655 22.21 12.978400 2.007270串联电感 2.221292 53.06 0.405680 5.414530并联电容 1.283779 22.08 12.978400 1.995520串联电感 2.186711 52.23 0.405680 5.329830并联电容 1.23683 21.27 12.978400 1.922310串联电感 1.964151 46.9 0
13、.405680 4.785930并联电容 0.719905654 12.38 12.978400 1.118860总阻抗 50欧姆 2.645960 8.6415702、 在设计界面中 选择 8个 mlin和 7个 mloc根据电磁场与微波技术课程设计13上表设置 W、L3 、选择控件 插入原理图中，并双击设置：4 、插入负载和地各两个，插入仿真控件：得到下图：电磁场与微波技术课程设计143.4 设计图的仿真1 在【simulate】仿真，结果如下图：电磁场与微波技术课程设计15通过仿真我们可以看出，滤波器的参数指标还不满足要求，这就需要我们通过优化仿真来使滤波器的参数满足设计的要求。3.5
14、优化电路参数由于滤波器的参数并未达到指标要求，因此需要优化电路参数，使之达到设计要求。优化电路参数的具体步骤如下：1、在原理图设计窗口中选择优化面板列表 optim/stat/Yield/DOE,在列表中选择优化控件 optim，双击该控件设置优化方法和优化次数，常用的优化方法有 Random(随机)、Gradient(梯度)等。随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛。设置完成的控件如图所示：电磁场与微波技术课程设计162、在优化面板列表中选择优化目标控件 Doe Goal放置在原理图中，双击该控件设置其参数，如图所示。Expr是优化目标名称，其中 dB(S(2,1)表示以 dB为单位
15、的S21参数的值。SimlnstanceName是仿真控件名称，这里选择 SP1Min和 Max是优化目标的最小与最大值。Weight是指优化目标的权重。RangeVar1是优化目标所依赖的变量，这里为频率 freq。RangeMin1和 RangeMax1是上述变量的变化范围。这里总共设置了三个优化目标，一个优化参数都是 S21，用来设定滤波器的通带，一个是阻带的频率范围及衰减情况，一个电磁场与微波技术课程设计17的优化参数是 S11，用来设定通带内的反射系数(这里要求小于0.2dB)，具体如图所示。由于原理图仿真和实际情况会有一定的偏差，在设定优化参数时，可以适当增加通带宽度。对于其它的参
16、数，也可以根据优化的结果进行一定的调整。3、在菜单栏中选择变量，将 W、L 设成变量最后结果图如下：电磁场与微波技术课程设计184、经过多次仿真较难得到接近要求的结果，因此我采用波形调谐来调节，在【simulate】中选择 tuning，点击 include opt parmete打开后得到下图：5、经过手工调整滑块，最后更新原理图和波形如图所示：电磁场与微波技术课程设计19电磁场与微波技术课程设计203.6 设计最终结果设计所得最终成果：通带截止频率：5.8GHz阻带增益：在 6.3GHz时通带内反射系数为 26.790,即 6.3GHz以上大于25dB通带内的反射系数：0.332dB，在误
17、差允许范围内可见在误差允许范围内，本设计符合要求。5 设计小结在射频通信系统中，无论是发射机还是接收机，都需要选择特定频率的信号进行处理，滤除其他频率的干扰信号，这就需要使用滤波电路来分离有用信号和干扰信号。因此，高性能的滤波器 对设计一个好的射频通信系统具有重要意义。通过此次微带低通滤波器的设计，熟悉了 ads软件的使用，对射频滤波器的设计有了初步的认识，掌握了简单的设计方法。滤波器是二端口网络，两边是完全对称的，当频率不高时可以用集总参数元件的设计方法，当频率达到 G以上时，就要用分布元件来实现。6 设计心得为期一个学期的 ads课程设计落下了帷幕。一路走来磕磕碰碰，在摸索滚爬中，由原来对
18、 ads完全陌生到渐渐熟悉了该软件的基本使用，并学会了微带低通滤波器的设计和仿真。电磁场与微波技术课程设计21通过此次课程设计，我深深体会到耐心与细心的重要性，在设计过程中，由于从未接触 ads，吃了不少苦头，原理图一换再换，上网查找了许多资料，去图书馆借阅了些书籍，才整理出点眉目。好不容易波形有些靠谱，却不懂得如何优化，每每优化后的图形都差强人意。日子如流水哗啦啦流逝，可是我们的设计却停滞不前，一再挣扎，总算设计出符合要求的滤波器。通过此次课程设计我更加觉得团队合作的重要性，相传佛教创始人释迦牟尼曾问他的弟子：“一滴水怎样才能不干涸？”弟子们面面相觑，无法回答。释迦牟尼说：“把它放到大海里去。 ”这说明，个人再完美，也就是一滴水；一个团队、一个优秀的团队就是大海。一个有高度竞争力的组织，包括企业，不但要求有完美的个人，更要有完美的团队。7 参考资料 1） ADS 应用详解射频电路设计与仿真 陈艳华 李朝晖 夏玮 人民邮电出版社2） 射频电路理论与设计 黄玉兰 人民邮电出版社3） 基于 ADS的微带滤波器设计-网络通信-电子工程世界网
