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1、微波、毫米波系统课程设计 低通滤波器的设计 一、设计背景滤波器是一种把不同频率分开的元件，为了保留有用频段的信号而将无用频段的信号滤除，其本质是一种具有特定频率响应的元件。四种基本类型的滤波器电路是：低通滤波电路、高通滤波电路、带通滤波电路、带阻滤波电路。 低通滤波器是一种能传输低频段信号、隔除高频段信号的元件，即对低频段信号的衰减小、对高频段信号的衰减大，可通过其S参数中的（传输系数）或插入损耗（）反映出来。低通滤波器可以按照不同的特性参数进行设计。巴特沃兹滤波电路具有衰减的单调性，并且可以在通带内获得最大的平坦度。巴特沃兹滤波电路的设计参数来源于二项式，可以获得最平滑的衰减特性，也被称为最
2、大平滑滤波电路。契比雪夫滤波电路的衰减在通带外有单调性，而在通带内存在等幅波动。契比雪夫滤波电路的设计参数来源于契比雪夫多项式，可以调整参数限制通带内波纹的幅度，所以称为等波纹滤波电路。椭圆滤波电路的衰减在通带内和通带外都不具单调性，均会出现一定幅度的波动。椭圆滤波电路的设计参数来源于椭圆函数，设计过程较为复杂。二、设计要求用插入损耗法设计微带阶跃阻抗低通滤波器，要求实现最平坦响应特性。截止频率为2.5GHz ，在4GHz处插损必须大于20dB ，滤波器阻抗。最高可实现阻抗，最低可实现阻抗。介质基片0.158cm，介电常数4.2，铜导体厚度0.5mil。三、 设计过程1、 选择网络结构 由于要
3、求实现最平坦响应特性，因此优先选择理想的巴特沃兹低通滤波器，选择的L-C网络结构如下所示：2、确定阶数和g值根据条件截止频率为2.5GHz ，在4GHz处插损大于20dB ，查图表知所需低通滤波器至少为6阶，再查表得到巴特沃兹低通滤波器的g1至g6的值：0.5176、1.4142、1.9318、1.9378、1.4142、0.5176 。3、计算电长度等效为电感的传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最大值，等效为电容的传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最小值，设传输线能做到的特性阻抗的最大值和最小值分别为、，则等效为串联电感和并联电容所需传输线的长度为：其中，L和C是低通滤波器原型的元器件值，是
4、滤波器阻抗。具体计算微带线电长度如下：4、确定微带线尺寸利用ADS微带线的计算工具完成对微带线的计算：在【LineCalc】的计算窗口中，设置好相应参数，进行计算，如图所示：于是，可以得到各微带线尺寸如下：微带线序号微带线宽度微带线长度111.mm2.mm20.mm6.mm311.mm7.mm40.mm9.mm511.mm5.mm60.mm2.mm四、仿真、优化及分析1、原理图仿真和优化根据各微带线的尺寸，搭建低通滤波器的原理图，如下所示： 仿真结果如下： 从上图的曲线可以看出：在2.5GHz处，的值为-4.355dB；在4GHz处，的值为-21.365dB。即：在2.5GHz处不满足技术指标
5、，在4GHz处满足技术指标。由于曲线不满足技术指标，需要调整原理图，对原理图进行优化，优化原理如下：修改电路元器件的取值方式，将微带线的宽度和长度设置为变量，设置如下：TL1微带线设置为宽度W=w1 mm,L=l1 mm；TL2微带线设置为宽度W=w2 mm,L=l2 mm；TL3微带线设置为宽度W=w1 mm,L=l3 mm；TL4微带线设置为宽度W=w2 mm,L=l4 mm；TL5微带线设置为宽度W=w1 mm,L=l5 mm；TL6微带线设置为宽度W=w6 mm,L=l6 mm。在【VAR】中设置各变量的合适的取值范围，其中，由于最高可实现阻抗值对应的微带线宽度为0.40mm , 最低
6、可实现阻抗值对应的微带线宽度为11.30mm ,因此w1的取值不能大于11.3mm，w2的取值不能小于0.40mm。设置两个优化目标GOAL，分别对应满足：2.5GHz处的值在-3dB左右，这里设为-3.02dB，-2.98dB；4GHz处的值小于-20dB,这里设置最大值为-20dB。利用优化器件OPTIM，进行优化，当找到最优化结果时，可显示曲线，显示各变量的取值。优化后的原理图和仿真图如下所示：从上图的曲线可以看出：在2.5GHz处，的值为-3dB；在4GHz处，的值为-20.010dB。即：在2.5GHz处满足技术指标，在4GHz处满足技术指标。2、 版图仿真 将优化后的原理图生成版图
7、，如下所示：版图仿真结果中的曲线如下：从上图的曲线可以看出：在2.497GHz处，的值为-6.917dB；在4.010GHz处，的值为-27.931dB。即：在2.5GHz处不满足技术指标，在4GHz处满足技术指标。因此，该版图仿真出的曲线不满足技术指标，需要继续调整原理图，对原理图再次进行优化。3、 再优化及版图仿真由于上一次优化时在原理图仿真时满足条件：在2.5GHz处的值在-3dB以内，而在版图仿真时则不能满足该条件。因此再次优化时可将优化目标中的该要求改进，如可要求达到2.5GHz处的值越接近0dB越好。即设置两个优化目标GOAL，分别对应满足：2.5GHz处的值越接近0dB越好，这里
8、设置最小值为0dB；4GHz处的值小于-20dB,这里设置最大值为-20dB。利用优化器件OPTIM，进行优化，当找到最优化结果时，可显示曲线，显示各变量的取值。优化后的原理图和仿真图如下所示：从上图的曲线可以看出：在2.5GHz处，的值为-0.608dB；在4GHz处，的值为-20.006dB。即：在2.5GHz处满足技术指标，在4GHz处满足技术指标。将该再优化后的原理图生成版图，如下所示：版图仿真结果中的曲线如下：从上图的曲线可以看出：在2.503GHz处，的值为-2.819dB；在3.986GHz处，的值为-28.338dB。即：在2.5GHz处满足技术指标，在4GHz处满足技术指标。
9、因此，该版图仿真出的曲线满足技术指标，即所设计的满足要求的变量取值如下： 即最终所设计的满足要求的6阶低通滤波器的各微带线尺寸如下：微带线序号微带线宽度微带线长度111.2146mm3.87168mm20.4335mm6.59198mm311.2146mm6.06851mm40.4335mm7.20078mm511.2146mm5.59552mm60.4355mm3.28401mm五、 心得体会 本次课程设计要求用插入损耗法设计低通滤波器，通过计算、设计原理图、仿真、优化等过程，最后得到设计方案，基本满足技术指标。在设计之前，通过查阅资料，比以前更深入地了解了滤波器的基本原理，初步知道了要设计
10、一个满足特定技术指标的低通滤波器，应如何入手，一步步设计出来并修正改善。 在设计期间，也遇到很多困难，发现不少问题。首先，对于ADS软件，我们都是首次接触使用，在使用计算工具、搭建电路原理图、仿真、优化、生成版图等过程中易出现各种小问题，都需要细心解决。其次，在本次课程设计中用了两种仿真方式：原理图仿真和版图仿真，两者仿真出的结果差异较大，又因后者的仿真结果更加精确，为设计增加了难度，于是形成了“仿真优化仿真再优化仿真”的设计过程。又有，在优化时设置多少变量、选择怎样的取值范围、达到怎样的目标，都需要考虑，而在本次课程设计中，将微带线的所有尺寸都进行了优化，实际上并不一定需要优化所有的尺寸。由此也可以看出，用ADS设计电路时的选择余地其实相当大，ADS的实用性也很强。