1、设计报告学 生：课 题： 带通滤波器的设计与仿真 目 录摘要3一 平行耦合微带线滤波器的理论基础3二、平行耦合微带线滤波器的设计的流程图4三、设计的具体步骤5 1、确定下边频和归一化带宽52、在设计向导中生成原理图63、平行耦合微带线带通滤波器设计74、设计平行耦合微带线带通滤波器原理图8四、心得体会14五、参考文献14带通滤波器的设计与仿真摘 要: 介绍一种借助 ADS( Advanced Des ign SySTem )软件进行设计和优化平行耦合微带线带通滤波器的方法， 给出了清晰的设计步骤， 最后结合设计方法利用 ADS 给出一个中心频率为 2.4 GHz， 相对带宽为 9%的微带带通滤
2、波器的设计及优化实例和仿真结果，仿真结果表明: 这种方法是可行的， 满足设计的要求。滤波器是用来分离不同频率信号的一种器件。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。平行耦合微带线带通滤波器在微波集成电路中是被广为应用的带通滤波器。一、滤波器的介绍（1）波器可以分为四种：低通滤波器和高通滤波器、带通滤波器和带
3、阻滤波器按照滤波器的制作方法和材料，射频滤波器又可以分为以下四种：（2）波器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带滤波器（3）滤波的性能指标：频率范围：滤波器通过或截断信号的频率界限通带衰减：滤波器残存的反射以及滤波器元件的损耗引起阻带衰减：取通带外与截止频率为一定比值的某频率的衰减值寄生通带：有分布参数的频率周期性引起，在通带的一定外有产生新的通带二、平行耦合微带线滤波器的理论基础当频率达到或接近 GHz 时，滤波器通常由分布参数元件构成，分布参数不仅可以构成低通滤波器，而且可以构成带通和带阻滤波器。平行耦合微带传输线由两个无屏蔽的平行微带传输线紧靠在一起构成，由于两个传输线之间电磁场的相互作用
4、，在两个传输线之间会有功率耦合，这种传输线也因此称为耦合传输线。平行耦合微带线可以构成带通滤波器，这种滤波器是由四分之一波长耦合线段构成，她是一种常用的分布参数带通滤波器。当两个无屏蔽的传输线紧靠一起时， 由于传输线之间电磁场的相互作用， 在传输线之间会有功率耦合， 这种传输线称之为耦合传输线。根据传输线理论， 每条单独的微带线都等价为小段串联电感和小段并联电容。每条微带线的特性阻抗为 Z 0， 相互耦合的部分长度为 L， 微带线的宽度为 W， 微带线之间的距离为 S， 偶模特性阻抗为 Z e， 奇模特性阻抗为 Z0。单个微带线单元虽然具有滤波特性， 但其不能提供陡峭的通带到阻带的过渡。如果将
5、多个单元级联， 级联后的网络可以具有良好的滤波特性。三、行耦合微带线滤波器的设计的流程图：确定滤波器指标计算查表得滤波器级数 N确定标准低通滤波器参数计算传输线奇偶模特性阻抗计算微带线尺寸仿真（优化）达到技术指标要求得到最终波形图否四：设计参数要求：（1） 中心频率：2.4GHz ；（2） 相对带宽：9%；（3） 带内波纹：20dB；（5） 输入输出阻抗：50。五：下面给出具体设计步骤：第一步：先用设计向导设计原理图：（1）打开 ADS 窗口，建立工程（2）在原理图窗口中的工具栏中选择【DesignGuide】【Filter 】 【Filter Control Window】 单击确定后，弹出
6、向导设计窗口，选择 Filter Assistant选项，在窗口中输入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阶数 N=3把参数要求输进去得到原理图：第二步由生成原理图可以知道用三阶可以实现。下面计算参数：1、确定下边频和归一化带宽。假设下边频为 1、上变频为 2、中心频率为 0，归一化带宽为：=( 2- 1)/ 0,其中 0=2.4GHz，=9% 得到 2- 1=0.216GHz 又 2+ 1=4.8GHz所以 1=2.292GHz 2=2.508GHz（1）计算低通滤波器原型参数。3 阶、带内波纹小于 0.5dB
7、 的切比雪夫滤波器原型参数通过查表得 g1=1.5963g2=1.0967g3=1.5963（2）计算每节奇偶模的特性阻抗，滤波器需要 4 节耦合微带线连级，由以下公式计算（3）计算得到各个参数如下表所示：节 偶模特性阻抗奇模特性阻抗1 69.3 39.52 55.9 45.23 55.9 45.24 69.3 39.5系统阻抗 50 说明：上表的阻抗单位都为欧姆，导体带的导体带的宽度、导体带的间隔藕合线的长度单位都为 mm，相移角表示计算微带线的时候为 90 度。4、设计平行耦合微带线带通滤波器原理图（1）创建项目启动 ADS 软件，弹出主视窗。选择主视窗中的【file】菜单 -【new p
8、roject】 ，弹出【new project】对话框，在【new project】对话框输入项目名称和这个项目默认的长度单位。（2）利用 ADS 的计算工具 tools 完成对微带滤波器的计算ADS 软件中的工具 tools，可以对不同类型的传输线进行计算，使用者可以利用计算工具提供的图形化界面进行设计。对于平行耦合微带线来说，可以进行物理尺寸和电参数之间的数值计算，若给定平行耦合微带线奇模和偶模的特性阻抗，可以计算平行耦合微带线导体带的角度和间隔距离。下面利用 ADS软件提供的计算工具，完成对平行耦合微带线的计算。在原理图上，选择【tools】菜单- 【LineCalc】-【Start L
9、ineCalc 】命令，弹出【LineCalc 】计算窗口。如图示。设置所需参数。在【LineCalc】计算窗口选择如下：Er=2.7，表示微带线基板的相对介电常数为 2.7。Mur=1，表示微带线的相对磁导率为 1。H=1mm，表示微带线基板的厚度为 1mm。Hu=1.0e+033，表示微带线的封装高度为 1.0e+033。T=0.05mm，表示微带线的导体厚度为 0.05mm。Cond=5.8E+7，表示微带线导体的电导率为 5.8E+7。TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为 0.0003.Freq=2.4GHZ，表示计算时采用的频率为 2.4GHZ.Ze，表示计算时偶模的特性
10、阻抗。Zo，表示计算时奇模的特性阻抗。这样通过计算工具可以依次算出微带线的尺寸节 偶模特性阻抗奇模特性阻抗相移 导体带的宽度导体带的间隔藕合线的长度1 69.3 39.5 90 2.26219 0.27101 21.49132 55.9 45.2 90 2.5701 1.24013 21.07923 55.9 45.2 90 2.5701 1.24013 21.07924 69.3 39.5 90 2.26219 0.27101 21.4913系统阻抗 50 2.633 20.9949（3）设计微带线原理图a、在原理图的元件面板列表中，选择微带线【TLines-Microstrip】 ，元件面
11、板上出现与微带线对应的元件图标。b、在微带线元件面板上选择 Mcfil，4 次插入原理图的画图区，Mcfil 是一段长度的平行耦合微带线，可以设置这段平行耦合微带线的导体带宽度 W，导体带间隔 S 和长度 L。分别双击画图区的 4 个 Mcfil，将 4 个 Mcfil 的数值根据列表中的数值设置，如图所示。c、在微带线元件面板上选择 MLIN，两次插入原理图的画图区，MLIN 是一段长度的微带线，可以设置这段微带线的宽度 W 和长度 L。分别双击可以设置。选择 S 参数仿真元件面板，在元件面板上选择负载终端 Term，两次插入原理图，再插入两次地线，完成连线如下图（4）原理图仿真在仿真之前，
12、首先设置 S 参数仿真控件 SP，SP 对原理图中的仿真参量给出取值范围，当 S 参数仿真控件 SP 确定后，就可以仿真了。在 S 参数仿真元件面板 【 Simulation-S_Param】上，选择 S 参数仿真控件 SP，插入原理图区，对 S 参数控件设置如下start=1.5GHz，stop=3.5GHz ，step=2.0MHz仿真后波形如下：1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.41.4 3.6-60-50-40-30-20-10-700freq, GHzdB(S(2,1)Readoutm1m2m3m4 m5m1freq=dB(S(2,1)=-0
13、.6462.400GHzm2freq=dB(S(2,1)=-0.5602.300GHz m3freq=dB(S(2,1)=-10.8172.500GHzm4freq=dB(S(2,1)=-42.1151.900GHz m5freq=dB(S(2,1)=-39.4762.900GHz序号 频率 dB(S(21)M1 2.4GHz -0.646M2 2.3GHz -0.56M3 2.5GHz -10.817M4 1.9GHz -42.115M5 2.9GHz -39.476有上表中看出，虽然在 2.9GH 和 1.9GHz 时满足要求，但在中心频率 2.4GHz 偏移了，而且通带的上限频率和下限频
14、率都不满足，带内波纹也不满足。所以要进行优化：（5）原理图优化修改平行微带线段的取值方式，将平行耦合微带线段的导体带宽度 W、两个导体带的间隔 S 和耦合微带线的长度 L 设置为变量，并设置相邻平行耦合微带线的尺寸，分别在下面窗口中设置 4 段微带线设置完成后，在原理图的工具栏选择【VAR】按钮，插入原理图的画图区。在画图区双击 VAR，弹出【Variables and Equations】对话框，在对话框中对变量 w1、s1 、l1、w2、s2、l2 的范围进行设置 w1(1 to 3) w2(1 to 4) s1(0.2 to 0.5) s2(0.7 to 1.5) l1(20 to 30
15、) l2(20 to 30)得到在原理图中插入优化控件 Optim，双击优化控件 Optim，设置优化次数为 100次在原理图中插入 3 个目标控件 DOE GOAL,双击设置如下最后所得的优化原理图为最后通过工具栏中【Simulate】 【Tuning】进行调谐得到仿真的波形图如下，优化后的值如下表：节 偶模特性阻抗奇模特性阻抗相移 导体带的宽度优化后的导体带的宽度导体带的间隔优化后导体带的间隔藕合线的长度优化后的藕合线的长度1 69.3 395 90 2.26219 1.62021 0.27101 0.136 21.4913 21.49132 55.9 45.2 90 2.5701 1.2
16、9 1.24013 1.1613 21.0792 21.07923 55.9 45.2 90 2.5701 1.29 1.24013 1.1613 21.0792 21.07924 69.3 39.5 90 2.26219 1.62021 0.27101 0.136 21.4913 21.4913系统阻抗50 2.633 20.99491.5 2.0 2.5 3.0 3.51.0 4.0-80-60-40-20-1000freq, GHzdB(S(1,1)Readoutm4m4freq=dB(S(1,1)=-82.7652.400GHz序号 频率 dB(S(2,1)M1 2.3GHz -0.4
17、69M2 2.5 GHz -0.456M3 2.4 GHz -0.450M4 1.9 GHz -32.187M5 2.9 GHz -25.932从上图可以看出：M3 为中心频率为 2.4GHz 在中心，满足技术指标，M1 为上边频 2.3GHz，m2 为下边频 2.5GHz，满足技术指标在 1.9GHz-2.9GHz 衰减大于 20dB 满足技术指标带内波纹最大为 0.013dB 小于 0.2dB 满足技术指标相对带宽 9%满足技术指标五、设计心得：本文以平行耦合微带线带通滤波器原理为基础，将传统的滤波器设计方法与利用微波电路仿真工具设计滤波器的方法相结合，设计了一个相对带宽为 9%的平行耦合
18、带通滤波器，并给出仿真结果，同时对仿真结果进行了分析。仿真结果表明利用这种方法设计的平行耦合带通滤波器达到了要求的指标，本次的设计是我们在学习 ADS2009 的基础上跟同组同学的讨论，设计，遇到问题大家一起解决，也让我学到了与同学之间的合作。本次设计遇到的难题是优化的时候，首先进行自动各个值设计为变量，并输入优化范围，如果还达不到要求，可以把优化范围扩大，优化次数加大，如果还没达到技术指标，可以进行手动优化，本次我们设计采用自动优化和手动优化相结合。六、参考文献1、 ADS 射频电路设计基础与典型应用 黄玉兰编著 人民邮电出版社2、 电磁场与微波技术 黄玉兰编著 人民邮电出版社3、 射频电路设计理论与基础 黄玉兰编著 人民邮电出版社
