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1、解析微带滤波器的设计 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，因此本节将重点研究如何设计并优化微带滤波器。滤波器(filter)，是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就
2、是得到一个特定频率或消除一个特定频率。1 微带滤波器的原理 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。微带滤波器是在印刷电路板上，根据电路的要求以及频率的分布参数印刷在电路板上的各种不同的线条形成的LC 分布参数的滤波器。2 滤波器的分类 最普通的滤波器的分类方法通常可分
3、为低通、高通、带通及带阻四种类型。图12.1 给出了这四种滤波器的特性曲线。低通滤波器:它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。高通滤波器:它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。带通滤波器:它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。带阻滤波器:它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。按滤波器的频率响应来划分，常见的有巴特沃斯型、切比雪夫?型、切比雪夫?型及等;按滤波器的构成元件来划分，则可分为有源型及无源型两类;按滤波器的制作方法和材料可分为波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带滤波器。巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种。巴特
4、沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。这种滤波器最先由英国工程师斯替芬?巴特沃斯(Stephen Butterworth)在 1930 年发表在英国无线电工程期刊的一篇论文中提出的。切比雪夫滤波器，又名车比雪夫滤波器,是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。切比雪夫滤波器来自切比雪夫分布，以切比雪夫命名，是用以纪念俄罗斯数学家巴夫尼提?列波维其?切比雪夫()。3 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(Absolute attenuation):阻带中最大衰减(dB)。2 带宽(Bandwidth):通带的 3dB 带宽(flow-fhigh)。带宽(
5、band width)又叫频宽，是指在固定的的时间可传输的资料数量，亦即在传输管道中可以传递数据的能力。在数字设备中，频宽通常以 bps 表示，即每秒可传输之位数。在模拟设备中，频宽通常以每秒传送周期或赫兹(Hz)来表示。亦称谱带半宽度(half bandwidth)或有效带宽。无论仪器中光学系统的质量多么高，经单色器单色化后的光总是有一定的波长(宽度)范围，即具有以所指定波长(额定波长)为中心分布的一定波长范围。通带即指最大吸光度值的一半处的谱带宽度。3 中心频率:fc 或 f0.每频程的上限与下限频率的几何平均值称为该频程的中心频率。4 截止频率:下降沿 3dB 点频率。用来说明电路频率特
6、性指标的特殊频率。当保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的 0.707 倍，或某一特殊额定值时该频率称为截止频率。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)。群时延即系统在某频率处的相位(相移)对于频率的变化率。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):在通带内幅度波动，以 dB
7、 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。电学和磁学的量。表征一个储能器件(如电感线圈、电容等)、谐振电路所储能量同每周损耗能量之比的一种质量指标。元件的 Q 值愈大，用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳。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
8、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。4 微带滤波器的设计 通带是两个截止频率之间的频率范围。在截止频率点，输出信号幅值下降到其最大值的 0.707 倍。本小节设计一个微带低通滤波器，滤波器的
9、指标如下:通带截止频率:3GHz.通带增益:大于-5dB,主要由滤波器的 S21 参数确定。阻带增益:在 4.5GHz 以上小于-48dB,也主要由滤波器的 S21 参数确定。通带反射系数:小于-22dB,由滤波器的 S11 参数确定。在进行设计时，我们主要是以滤波器的 S 参数作为优化目标。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。4
10、.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:microstrip_filter,并在 Project Technology Files 栏中选择 ADS Standard:Length unit-millimet,默认单位为 mm,如图 12.2 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。4.2 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。1)在原理图设计窗口中选择 TLines-Microstrip 元件面板列表，窗口左侧的工具栏变为如图 12.3 所示。并
11、选择 6 个 MLIN、5 个 MLOC、1 个 MSUB 按照图 12-4 所示的方式连接起来。2)设置图 12-4 中的控件 MSUB 微带线参数 H:基板厚度(0.1 mm)Er:基板相对介电常数(2.16)Mur:磁导率(1)Cond:金属电导率(6.14E+7)Hu:封装高度(1.0e+33 mm)T:金属层厚度(0.001 mm)TanD:损耗角正切(1e-3)Roungh:表面粗糙度(0 mm)完成设置的 MSUB 控件如图 12.5 所示。3)滤波器两端的引出线是 50 Ohm 的微带线，它的宽度 W 可由微带线计算工具算出。选择【Tools】【LineCalc】?【Start
12、 LineCalc】命令。在打开的窗口中输入如图 12-6 所示的内容。在 Substrate Parameters 栏中填入与 MSUB 相同的微带线参数。在 Component Parameters 栏中填入中心频率(本例为 3.0GHz)。Physical 栏中的 W 和 L 分别表示微带线的宽和长。Electrical 栏中的 Z0 和 E_Eff 分别表示微带线的特性阻抗和相位延迟，点击Synthesize 和 Analyze 栏中的和箭头，可以进行 W、L 与 Z0、E_Eff 间的相互换算。本例中 Z0 为 50Ohm,E_Eff 为 45deg,W 为 0.31008mm,L
13、为 9.18284mm.另外打开的一个窗口显示当前运算状态以及错误信息，如图 12.7 所示。4)双击两边的引出线 TL1、TL6,分别将其宽与长设为 0.31006 mm 和 1.5 mm.其余的微带线长度设为 9.18284,宽度是滤波器设计和优化的主要参数，因此要用变量代替，便于后面修改和优化。双击每个微带线设置参数，W 分别设为相应的变量，单位 mm.在设置宽度的 5个变量时，为了让它们显示在原理图上，要把 Display parameter on schematic的选项勾上。设置完变量的原理图如图 12.8 所示。5)由于原理图中的 MLIN 和 MLOC 的宽度都是变量，因此需要
14、在原理图中添加一个变量控件。单击工具栏上的 VAR 图标，把变量控件 VAR 放置在原理图上，双击该图标弹出变量设置窗口，依次添加各微带线的 W 参数。在 Name 栏中填变量名称，Variable Value 栏中填变量的初值，点击 Add 添加变量，然后单击 Tune/Opt/Stat/DOE Setup按钮设置变量的取值范围，其中的Enabled/Disabled 表示该变量是否能被优化，Minimum Value 表示可优化的最小值Maximum Value 表示可优化的最大值，如图 12.9,12.10 所示。微带滤波器中微带线的变量值及优化范围设置如下。W1=0.1679 opt
15、0.1 to 2,表示 W1 的默认值为 0.1679,变化范围为 0.1 到 2.W2=0.4772 opt 0.1 to 2,表示 W2 的默认值为 0.4772,变化范围为 0.1 到 2.W3=0.5124 opt 0.1 to 2,表示 W3 的默认值为 0.5124,变化范围为 0.1 到 2.W4=0.1269 opt 0.1 to 2,表示 W4 的默认值为 0.1269,变化范围为 0.1 到 2.W5=0.1203 opt 0.1 to 2,表示 W5 的默认值为 0.1203,变化范围为 0.1 到 2.这样一个完整的微带低通滤波器的电路就完成了，如图12.11 所示。4
16、.3 S 参数仿真设置和原理图仿真 在执行仿真之前，先进行 S 参数仿真设置。1)S 参数仿真设置 在原理图设计窗口中选择 S 参数仿真工具栏，Simulation-S_Param.选择 Term放置在滤波器两边，用来定义端口 1 和 2,并放置两个地，按照图 12.12 连接好电路。选择 S 参数扫描控件放置在原理图中，并设置扫描的频率范围和步长。双击 S参数仿真控制器，参数设置如下。Start=0 GHz,表示频率扫描的起始频率为 0 GHz.Stop=5 GHz,表示频率扫描的终止频率为 5 GHz.Step=0.01 GHz,表示频率扫描的频率间隔为 0.01 GHz.完成参数设置的
17、S 参数仿真控制器如图 12.13 所示。调整电路原理图和各种控件，最终得到的电路原理图如图 12.14 所示。这样就完成了微带低通滤波器 S 参数的仿真设置，下面开始对滤波器进行仿真。2)原理图仿真 单击工具栏上的 simulate 按钮或是点击 simulate?simulate,当仿真结束后，系统会自动弹出一个数据显示窗口，在数据显示窗口中插入一个 S21 参数的矩形图，再点击 maker?New,可在图中加一标记，如图 12.15 所示。从图中可以看出，S21 参数曲线是一个低通滤波器的形状，但是与设计指标的要求还有一定的差距。以同样的方式插入一个 S11 参数的矩形图，加上一个 Ma
18、rker 点，如图 12.16 所示。4.4 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)在原理图设计窗优化电路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 12.17 所示。2)在优化面板列表中选择优化目标控件 Goal 放置在原理图中，双击该控件设置其参数，如图 12.18 所示。Expr 是优化目标名称
19、，其中 dB(S(2,1)表示以 dB 为单位的 S21 参数的值。SimlnstanceName 是仿真控件名称，这里选择 SP1 Min 和 Max 是优化目标的最小与最大值。Weight 是指优化目标的权重。RangeVar 是优化目标所依赖的变量，这里为频率 freq.RangeMin 和 RangeMax 是上述变量的变化范围。这里总共设置了三个优化目标，前二个的优化参数都是 S21,用来设定滤波器的通带和阻带的频率范围及衰减情况，最后一个的优化参数是 S11,用来设定通带内的反射系数(这里要求小于-25dB)，具体如图 12.19 所示。3)设置完优化目标后把原理图存储一下，然后点
20、击工具栏中的 Simulate 按钮开始进行优化仿真。在优化过程中会打开一个状态窗口显示优化的结果(如图12.20)，其中的 CurrentEF 表示与优化目标的偏差，数值越小表示越接近优化目标，0 表示达到了优化目标，下面还列出了各优化变量的值，当优化结束时还会打开数据显示窗口,如图 12.21 所示。需要注意的是在一次优化完成后，要点击原理图窗口菜单中的 Simulate-Update Optimization Values 保存优化后的变量值(在 VAR 控件上可以看到变量的当前值)，否则优化后的值将不保存。如果一次优化不能满足设计指标要求，根据情况需要对优化目标、优化变量的取值范围、优
21、化方法及次数进行适当的调整，经过数次优化后，当 CurrentEf 的值为 0,即为优化结束。4)优化完成后必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。点击原理图工具栏中的按钮，然后点击优化控件 OPTIM,则控件上打了红叉表示已经被关掉。5)点击工具栏中的 Simulate 按钮进行仿真，仿真结束后会出现数据显示窗口。在数据显示窗口观察滤波器的 S11 和 S21 曲线，其结果与优化结果相同。4.5 其他参数 在进行原理图仿真时，还可以看到滤波器的群时延以及输入的电压驻波比等参数。双击 S 参数控件，在其设置窗口的 Parameters 选项卡中勾上 Group delay 选项，就会在仿真时计算
22、群时延。把左侧工具栏设为 Simulation-S_param,并把 VSWR控件放置在原理图中，即可计算输入驻波比。VSWR 翻译为电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio)，一般简称驻波比。电磁波从甲介质传导到乙介质，会由于介质不同，电磁波的能量会有一部分被反射，从而在甲区域形成行驻波.电压驻波比，指的就是行驻波的电压峰值与电压谷值之比，此值可以通过反射系数的模值计算:VSWR=(1+反射系数模值)/(1-反射系数模值)。而入射波能量与反射波能量的比值为 1:(反射系数模的平方)由上可知，驻波比越大，反射功率越高，传输效率越低。要观察这两个参数的曲线，只需在仿真后
23、出现的图形显示窗口中添加delay(2,1)及 VSWR 的曲线即可。当优化完成后，还可以把 S 参数仿真的频率范围加大，看看滤波器的寄生通带出现在什么频率上。4.6 版图的生成与仿真 原理图的仿真是在完全理想的状态下进行的，而实际电路板的制作往往和理论有较大的差距，这就需要我们考虑一些干扰、耦合等外界因素的影响。先进设计系统(Advanced Design System)，简称 ADS,是安捷伦科技有限公司(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA 软件。软件迅速成为工业设计领域 EDA 软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能
24、力(尤其在射频微波领域)，而得到了广大 IC 设计工作者的支持。ADS 是高频设计的工业领袖。ADS 电子设计自动化功能十分强大，包含时域电路仿真(SPICE-like Simulation)、频域电路仿真(Harmonic Balance、Linear Analysis)、三维电磁仿真(EM Simulation)、通信系统仿真(Communication System Simulation)、数字信号处理仿真设计(DSP);ADS 支持射频和系统设计工程师开发所有类型的 RF 设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成 MMIC,是当今国内各大学和研究所使用最多
25、的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。1)版图的生成 版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但是它的计算比较复杂，需要较长的时间，可作为对原理图设计的验证。首先要由原理图生成版图，生成版图前先要把原理图中用于 S 参数仿真的两个 Term 以及接地去掉，不让他们出现在生成的版图中。去掉的方法与前面关掉优化控件的相同，都是使用按钮，把这些元件打上红叉。然后点击菜单中的 Layout-Generate/Update Layout,弹出一个设置窗口(如图 12.22)，直接点 OK,又出现一个窗口(如图 12.23)，再点 OK,完成版图的生成，这时会打开一个显
26、示版图的窗口，里面有刚生成的版图(如图 12.24).版图生成后先要设置微带电路的基本参数(即原理图中 MSUB 里的参数)，点击版图窗口菜单中的 Momentum-Substrate-Update From Schematic 从原理图中获得这些参数，点击 Momentum-Substrate-Create/Modify 可以修改这些参数。为了进行 S 参数仿真，需要在滤波器两侧添加两个端口，点击工具栏上的Port 按钮，弹出 port 设置窗口，点击 OK 关闭该窗口，在滤波器两边要加端口的地方分别点击添加上两个 port 端口。2)版图的仿真 点击 Momentum-Simulation
27、-S-parameter 弹出仿真设置窗口，该窗口右侧的 Sweep Type 选择 Adaptive,起止频率设为与原理图中相同，采样点数限制取 10(因为仿真很慢，所以点数不要取得太多)。仿真运算要进行一段时间，仿真结束后将出现数据显示窗口，观察 S11 和 S21曲线，性能有不同程度的恶化(如图 12.25)，此处 S11 的值大概为-24dB,S21 的值大概为-48dB,基本达到了指标要求。如果版图仿真得到的曲线不满足指标要求，那么要重新回到原理图窗口进行优化仿真，产生这种情况的原因是微带线的宽度取值不合适，可以改变优化变量的初值，也可根据曲线与指标的差别情况适当调整优化目标的参数，
28、重新进行优化。在返回原理图重新优化时，要先使刚才打红上叉的部件恢复有效，然后才能进行优化，之后重复前面所述的过程，直到版图仿真的结果达到要求为止。3)版图的制作 版图的仿真完成后要根据结果用 Protel 软件或是 AutoCAD 绘制电路版图，绘制版图时要注意以下几点。所用电路板是普通的双层板，上层用来绘制电路，下层整个作为接地。在绘制版图时受加工工艺的限制，尺寸精度到 0.01 mm 即可，线宽和缝隙宽度要大于 0.2mm 考虑到加工电路板时的侧向腐蚀问题，微带线的宽度和长度要适当增加。版图的大小要符合规定尺寸，以便于安装在测试架上。PROTEL 是 PORTEL 公司在 80 年代末推出的 EDA 软件，在电子行业的 CAD 软件中，它当之无愧地排在众多 EDA 软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用 PROTEL.AutoCAD(Auto Computer Aided Design)是美国 Autodesk 公司首次于 1982 年生产的自动计算机辅 助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际上广为流行的绘图工 具 dwg 文件格式成为二维绘图的事实标准格式。