微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 姓 名： 學(xué)號： 院（系）：機(jī)械與電子信息學(xué)院 專業(yè)： 電子信息工程 指導(dǎo)教師： 職稱： 評 閱 人： 職稱： 2012 年 6 月 摘 要近幾年隨著商用無線通信的迅猛發(fā)展，射頻/微波電路越來越得到重視和發(fā)展。微帶帶通濾波器作為微波器件的一種也得到了大力的發(fā)展，尤其是在接收機(jī)前端。帶通濾波器即bpf（band-pass filter）是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設(shè)備，一個理想的帶通濾波器應(yīng)該有一個完全平坦的通帶，另外，通帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成。帶通濾波器在無線通訊、圖像處理和遙控遙感等各方面得到重要應(yīng)用。因此，發(fā)展

2、高性能，研究小型化的帶通濾波器是當(dāng)前非常受關(guān)注的課題。本文首先介紹了微波濾波器的應(yīng)用和當(dāng)前的研究情況。然后介紹了濾波器的理論基礎(chǔ)和重要參數(shù)。最后該論文基于仿真軟件ads和公式的基礎(chǔ)上，介紹了微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法，同時借助ads軟件對所設(shè)計(jì)的微帶線濾波器進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，最終得到比較理想的微帶線濾波器。在進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化的過程中，重點(diǎn)內(nèi)容是原理圖的繪制和s參數(shù)的優(yōu)化。在已知公式和表格的基礎(chǔ)上，能夠計(jì)算出濾波器的各種參數(shù)，利用這些參數(shù)能夠繪制原理圖；s參數(shù)的優(yōu)化主要是優(yōu)化范圍的修改和一個不斷重復(fù)的過程。本次設(shè)計(jì)所完成的濾波器如下：通帶1.92.0 ghz，帶內(nèi)衰減小于2db，起伏小

3、于1db，1.7ghz以下及2.2ghz以上衰減大于40db。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于微波仿真軟件ads的微帶線帶通濾波器能夠順利實(shí)現(xiàn)，并且重要參數(shù)能夠較好的控制在所要求的范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞： 微帶線 微帶帶通濾波器 仿真軟件adsabstractin recent years, along with the high development of wireless communication in business, microwave rf circuit has been attracted more and more attention and also got many achievement

4、s. at the same time, as one of the important microwave components, the microstrip band-pass filters also developed rapidly in recent years. especially, the microwave bpf directly influences the performances of the receivers. band-pass filter namely bpf(band-pass filter) is a device which allow speci

5、fic frequency range and shield other range. a ideal band-pass filter has a completely flat passband and the transition should be in a infinitesimal frequency range. band-pass filter get a wide range of applications in many directions such as wireless communication, image processing and remote sensin

6、g. an so, develop high performance, study miniaturized microwave filter is a hot topic in nowadays. at first, this paper introduces the application of microwave filters, and the current state of studying the filters. then introduces the theory basis and important parameter. with the software ads and

7、 the formula, this paper also well design a microstrip band-pass filter. at the same time also do the simulation and optimination with the help of ads. finally we get a relatively ideal microstrip filter. in the process of designing the schematic diagram, simulating and optimizing, the point is to d

8、raw the elementary diagram and optimize parameter s. based on the formula and diagram known, we can calculate all the parameters of the filter. with that, we can draw the schematic diagram. the optimizing of the parameter s mainly includes the modification of the optimizations sphere and its repetit

9、ion. the filters this design contains are as follows: pass band 1.9-2.0ghz, in the belt weakens is smaller than 2db, the fluctuation is smaller than below above 1db, 1.7ghz and 2.2ghz weakens is bigger than 40db.the experimental shows that microstrip band-pass filter based on microwave circuit simul

10、ation software ads is effective, and the important parameter can be controlled in the required limits.keywords: microstrip, microstrip band-pass filter, ads目 錄第1章 引言11.1 課題背景和意義11.2 微帶濾波器國內(nèi)外研究情況2第2章 帶通濾波器設(shè)計(jì)理論42.1 濾波器的分類42.2 帶通濾波器的主要參數(shù)42.3 帶通濾波器的設(shè)計(jì)原型52.4 原型濾波器的元件值的歸一化及其計(jì)算72.5 微帶線8第3章 帶通濾波器的重要指標(biāo)及優(yōu)化原則9

11、3.1 奇模和偶模特征阻抗93.2 s參數(shù)103.3 ads介紹及優(yōu)化原則12第4章 帶通濾波器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化134.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)144.2 原理圖設(shè)計(jì)144.2.1 低通濾波器原型的參數(shù)的計(jì)算144.2.2 奇模和偶模特性阻抗的計(jì)算164.2.3 微帶線尺寸的計(jì)算174.2.4 原理圖的繪制184.3 原理圖仿真及優(yōu)化194.4 版圖仿真254.5 后期需要改進(jìn)的地方27結(jié) 束 語28參考文獻(xiàn)30第1章 引言1.1 課題背景和意義科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得人類社會進(jìn)入了信息時代，信息時代的主要標(biāo)志之一就是信息的快速廣泛的傳遞。信息傳遞必須通過兩種方式：有線傳輸方式和無線傳輸方式。目前的固定電話、有線電

12、視、有線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)都屬于有線傳輸。移動通信、衛(wèi)星通信屬于無線通信。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人類對通信的需求越來越高，無線通信技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。圖1-1是一種典型的移動電話射頻電路方框圖，圖中的虛線部分表示在該無線通信設(shè)備中的濾波元件。從圖中可以看出，信號的接收和發(fā)射都離不開濾波器，它們的尺寸以及工作性能直接影響整個無線通信設(shè)備的體積以及工作性能。圖 1-1 一種典型的移動電話射頻方框圖無線通信技術(shù)和集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，對無線通信電子設(shè)備提出了更高的要求，集成化、小型化、高可靠性已經(jīng)成為無線通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，這就要求電路在滿足電氣性能的同時，盡可能減少電路占用空間1。為適應(yīng)這

13、一發(fā)展趨勢，近年來出現(xiàn)了多芯片組件(mcm)、片上系統(tǒng)(soc)、封裝系統(tǒng)(sop)等新的封裝形式。這些新的封裝形式，通過將不同信號的集成電路高密度地混合集成在一起，能夠有效地減小系統(tǒng)的體積，從而實(shí)現(xiàn)了無線通信系統(tǒng)的小型化。目前，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，無線通信系統(tǒng)中的有源電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了微型化并且能夠有效地采用現(xiàn)代封裝技術(shù)進(jìn)行集成。而系統(tǒng)中的天線、濾波器、耦合器等無源電路盡管可以在一定程度上集成在現(xiàn)代封裝系統(tǒng)中，但是，由于其工作性能的特殊要求及其特定的工作原理，還不能從設(shè)計(jì)上完全實(shí)現(xiàn)小型化，仍然面臨著小型化、高性能化的關(guān)鍵技術(shù)難題。采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的濾波器尺寸一般比較大，在工作性能上也存在著一定

14、的局限性，往往不能夠滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的要求，急需從小型化和高性能設(shè)計(jì)兩個方面進(jìn)行改進(jìn)。目前，國內(nèi)外針對這一研究熱點(diǎn)進(jìn)行了廣泛的研究，提出了一些新的設(shè)計(jì)方法，并且取得了一定的成效。從設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)濾波器小型化，不僅可以減小濾波器自身的尺寸面積，而且更加有利于系統(tǒng)的封裝集成，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的小型化。因此，性能優(yōu)良、高集成度的微波濾波器研究成為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)研究中一個十分關(guān)鍵的工作。微帶濾波器因?yàn)橹亓枯p、體積小、制造成本低且易于與其他微波電路集成等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在無線通信系統(tǒng)中2。1.2 微帶濾波器國內(nèi)外研究情況移動通信產(chǎn)業(yè)驚人的成長速度超出了人們的想象，促進(jìn)了濾波器的飛速發(fā)展，特別是固態(tài)

15、化濾波器的發(fā)展，如晶體濾波器、陶瓷濾波器、saw濾波器、介質(zhì)濾波器等。市場需求的巨大動力促使各類濾波器不斷揚(yáng)長避短、改進(jìn)提高，在很大程度上已突破了早期的多種性能、功能或成本局限。近年來，薄膜聲學(xué)體波共振技術(shù)（fbar）給射頻前端濾波器小型化和集成化帶來一線曙光。當(dāng)然，許多問題涉及工藝控制與封裝過程，有待解決。典型的fbar 測試結(jié)果顯示，fbar技術(shù)帶來的高q值和高耦合系數(shù)可與高級的陶瓷的和聲表面波振子相媲美，目前達(dá)到的q值己超過1000 ，與基于陶瓷的產(chǎn)品相比，fbar 技術(shù)在小型化方面占有絕對的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)體積小于目前基于陶瓷產(chǎn)品10%的產(chǎn)品。fbar 的電特性己經(jīng)達(dá)到目前cdma 和pc

16、s陶瓷雙工器的性能標(biāo)準(zhǔn)。為了減小體積，村田公司開發(fā)出mb型片式介質(zhì)濾波器，它是由2-3個同軸諧振器整塊連體構(gòu)成，而無需電路基板、耦合器、外罩等。phs 1900 用最小的2 級帶通濾波器僅3.84.32.0( mm ) ，而相對應(yīng)的2級耦合型介質(zhì)濾波器只能達(dá)7.08.03.7( mm ）。西門子公司研制的3 級整塊聯(lián)體型片式介質(zhì)濾波器，尺寸規(guī)格僅8.87.452.75( mm )5.754.02.95( mm ) ，適用于ism915、gps1500 、pcn / pcs1800 、phs1900 。w-lan2450 的最小型僅為3.255.01.9( mm ）。1990 年日本住友公司提出

17、低溫共燒多層介質(zhì)平面型濾波器的構(gòu)想。此后，松下、日本、飛利浦、雙信、ngk 、jti 等公司先后開發(fā)出適合于表面貼裝的同類新產(chǎn)品3。隨著信息化浪潮的推進(jìn)，現(xiàn)代社會產(chǎn)生了巨大的信息要求，通信技術(shù)正在向高速、多頻段、大容量方向發(fā)展。目前移動通信中所使用的主要頻率為0.81.0 ghz，全球gsm頻段分為4段，即850/900/1800/1900mhz。在寬帶移動化方面，ieee 802工作組先后制定了wlan和wimax等技術(shù)規(guī)范，希望能沿著固定、游牧/便攜、移動這樣的演進(jìn)路線逐步實(shí)現(xiàn)寬帶移動化，常用的wlan通信頻段標(biāo)準(zhǔn)為 ieee 802.11b/g(2.4-2.5ghz)和ieee 802.

18、11a(5.2-5.8ghz)。為了在移動環(huán)境下實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸，ieee 802.16wimax成了寬帶移動的重要里程碑，促進(jìn)了移動寬帶的演進(jìn)和發(fā)展,2.3-2.4ghz和3.4-3.6ghz頻段均被劃分為wi max的全球性統(tǒng)一無線電頻段4 。這正是s波段的應(yīng)用，因此如何研究出高性能，小型化的濾波器是目前電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。我國移動通信發(fā)展迅速，一方面用戶數(shù)量不斷增長，另一方面用戶要求的業(yè)務(wù)種類也不斷的增加，從話音業(yè)務(wù)到短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以及將來的移動多媒體業(yè)務(wù)。由于用戶超常規(guī)發(fā)展。現(xiàn)在移動通信系統(tǒng)從gsm 到gprs 直至cdma ，頻率從原來的幾百赫茲到了現(xiàn)在的9oomhz 、1.

19、8 ghz 、2.4ghz 、5.8ghz 甚至更高。與此同時對于器件的小型化和高性能的要求也在不斷提高。在微波波段，濾波器由于其具有小型化、易集成、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)而越來越受到重視。制作的微帶濾波器的插損小、帶邊陡峭度高、帶外抑制大、具有高靈敏度和高選擇性，在移動通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。為了在移動設(shè)備等器件上獲得更廣泛的應(yīng)用，器件小型化已經(jīng)是非常重要的要求，在應(yīng)用新型材料制作的同時，我們也利用了微波技術(shù)的各種理論通過都對微帶濾波器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如多模微帶濾波器，類交趾濾波器等。在設(shè)計(jì)中，可以采用多個相互耦合的微帶線以提高濾波器的耦合度，降低濾波器的面積，同時，從微帶線的等效分布電感

20、、電容出發(fā)，結(jié)合模擬和試驗(yàn)結(jié)果，提出濾波器的等效lc電路，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而減小濾波器的尺寸5。第2章 帶通濾波器設(shè)計(jì)理論 論文研究的是使用ads軟件設(shè)計(jì)微帶帶通濾波器的解決方案，而帶通濾波器是以低通濾波器為原型設(shè)計(jì)的。當(dāng)平行耦合微帶線長度為時，有帶通濾波器的特性，但其不能提供陡峭的通帶到阻帶過渡，如果將多個耦合微帶線單元級聯(lián)，級聯(lián)后的網(wǎng)絡(luò)可以具有良好的濾波特性。2.1 濾波器的分類最普通的濾波器有低通、高通、帶通、帶阻衰減特性（如圖2-1所示）。圖2-1 四個普通濾波器的特性曲線可以從不同角度對濾波器進(jìn)行分類：(a)按功能分，有低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器，帶阻濾波器，可調(diào)濾波器。(b

21、)按用的元件分，有集總參數(shù)濾波器，分布參數(shù)濾波器，無源濾波器，有源濾波器，晶體濾波器，聲表面波濾波器，等等6。2.2 帶通濾波器的主要參數(shù)(1)絕對衰減（absolute attenuation）：阻帶中最大衰減（db）(2)帶寬（bandwidth）：通帶的3db帶寬（flowfhigh）(3)中心頻率：fc或f0(4)截止頻率：下降沿3db點(diǎn)頻率(5)每倍頻程衰減(db/octave)：離開截止頻率一個倍頻程衰減(db)(6)微分時延(differential delay)：兩特定頻率點(diǎn)群時延之差以ns計(jì)(7)群時延(group delay)：任何離散信號經(jīng)過濾波器的時延(ns)(8)插入

22、損耗(insertion loss)：當(dāng)濾波器與設(shè)計(jì)要求的負(fù)載連接，通帶中心衰減，db(9)帶內(nèi)波紋(passband ripple)：在通帶內(nèi)幅度波動，以db計(jì)(10)相移(phase shift)：當(dāng)信號經(jīng)過濾波器引起的相移(11)品質(zhì)因數(shù)q(quality factor)：中心頻率與3db帶寬之比(12)反射損耗(return loss)(13)形狀系數(shù)(shape factor)：定義為 (14)止帶(stop band或reject band)：對于低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定點(diǎn)(如60db點(diǎn))的帶寬7。2.3 帶通濾波器的設(shè)計(jì)原型低通濾波器是帶通濾波器的特例，可作為帶通濾波

23、器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。兩種常見的低通濾波器原型：（1）平坦低通濾波器特性曲線(如圖2-2所示)：圖2-2最大平坦低通濾波器特性曲線數(shù)學(xué)表示式如（2-1）:db (2-1)（2-1）中e滿足關(guān)系式（2-2）： (2-2)n對應(yīng)于電路所需級數(shù)。特點(diǎn)： = 0處(2n-1)階的導(dǎo)數(shù)=0定義為衰減3db的頻帶邊緣點(diǎn)(2) 切比雪夫低通濾波器特性曲線（如圖2-3所示）： 圖2-3切比雪夫低通濾波器特性曲線數(shù)學(xué)表示式如（2-3）、（2-4）： (2-3) (2-4)(2-3),(2-4)中e滿足關(guān)系式(2-5)： (2-5)n仍舊是電路里電抗元件的數(shù)目。特點(diǎn)：帶內(nèi)衰減呈波紋特性定義為等波紋頻帶的邊緣頻率。最大平坦衰

24、減特性曲線與切比雪夫特性曲線比較可以看出：1、若通帶內(nèi)允許的衰減量和電抗元件的數(shù)目n為一定，則切比雪夫?yàn)V波器的截止速率更快8 。因?yàn)槠浣刂苟赶?，所以常常寧可選擇切比雪夫特性曲線而不取其他的特性曲線。2、假如濾波器中的電抗元件的損耗較大，那么無論那種濾波器的通帶響應(yīng)的形狀與無耗時的比較，都將發(fā)生變化，而在切比雪夫?yàn)V波器中這種影響尤其嚴(yán)重。3、理論證明了最大平坦濾波器的延遲畸變要比切比雪夫?yàn)V波器小。2.4 原型濾波器的元件值的歸一化及其計(jì)算目的：提高設(shè)計(jì)通用性歸一化定義：= = 1或= = 1= 1對于兩端帶有電阻終端的最大平坦濾波器，給定= 3db、= 1和= 1，則其原型元件值可以按下式計(jì)算：

25、 , k=1,2,n (2-6)= 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、= 1和= 1，它的原型元件值可按以下各式計(jì)算： (2-7) (2-8) , k=1,2,n (2-9) , k=1,2,n (2-10) (2-11) , k=2,3,n (2-12)當(dāng)n為奇數(shù)時， (2-13)當(dāng)n為偶數(shù)時， (2-14)2.5 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)(信號線) 9 ，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、寬度以及與地平面之間的距離是可控制的，則它

26、的特性阻抗也是可以控制的10 。單位長度微帶線的傳輸延遲時間，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。它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)以及兩個接層的距離有關(guān)11 。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，那么線的特性阻抗也是可控的。微帶線特性阻抗如式(3-1)和模型（如圖3-1所示）： (2-15)圖2-4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，r是硬質(zhì)電路板的相對介電常數(shù)12。與金屬波導(dǎo)相比，微帶線體積小、重

27、量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等；但損耗稍大，功率容量小。60年代前期，由于微波低損耗介質(zhì)材料和微波半導(dǎo)體器件的發(fā)展，形成了微波集成電路，使微帶線得到廣泛應(yīng)用，相繼出現(xiàn)了各種類型的微帶線。一般用薄膜工藝制造13 。介質(zhì)基片選用介電常數(shù)高、微波損耗低的材料。導(dǎo)體應(yīng)具有導(dǎo)電率高、穩(wěn)定性好、與基片的粘附性強(qiáng)等特點(diǎn)。第3章 帶通濾波器的重要指標(biāo)及優(yōu)化原則在設(shè)計(jì)帶通濾波器時，設(shè)計(jì)過程中的重要參數(shù)為奇模和偶模阻抗，這兩個參數(shù)決定了微帶線的尺寸，進(jìn)一步?jīng)Q定了濾波器的特性；體現(xiàn)濾波器特性的參數(shù)為s參數(shù)，優(yōu)化時的對象即s12，優(yōu)化時改變的參數(shù)為微帶線的尺寸，尺寸改變了s參數(shù)就變化了。波形的仿真及優(yōu)化都是

28、在ads軟件中進(jìn)行的。3.1 奇模和偶模特征阻抗當(dāng)多根傳輸線相互之間靠得很近的時候,傳輸線之間的電場和磁場將互相交互作用的更為復(fù)雜,傳輸在線的信號切換(switching)狀態(tài)決定了以何種模式的傳輸,這種相互作用的重要性在于會改變傳輸線有效的特性阻抗和傳輸速率14 ,特別是當(dāng)很多非常靠近的傳輸線同時切換,這種現(xiàn)象尤為嚴(yán)重,它會使總線出現(xiàn)特性阻抗和延遲時間產(chǎn)生變化,從而影響總線的傳輸效能.因此,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮到這些方面的影響。當(dāng)兩根耦合的傳輸線相互之間的驅(qū)動信號振幅大小相同但相位相差180度的時候,就是一個奇模傳輸?shù)哪Ｐ?。此情況下,傳輸線的等效電容增大,但是等效電感變小。當(dāng)兩根耦合的傳輸線

29、相互之間的驅(qū)動信號振幅大小相同且相位也相同時,就是一個偶模傳輸?shù)哪Ｐ?。此情況下,傳輸線的等效電容減小,但是等效電感增大。奇模和偶模傳輸模型如下圖所示：圖3-1奇模和偶模模型圖可以將平行耦合微帶線視為偶模激勵和奇模激勵的疊加，偶模和奇模有不同的特性阻抗，偶模的特性阻抗為z0e,奇模特性阻抗為z0o.奇偶模的特性阻抗與微帶線的尺寸和材料有關(guān)。3.2 s參數(shù)網(wǎng)絡(luò)理論是一種非常普遍的處理問題的方法，它把系統(tǒng)用一個由若干端口對外的未知網(wǎng)絡(luò)表示。微波網(wǎng)絡(luò)理論是微波工程強(qiáng)有力的工具，主要研究微波網(wǎng)絡(luò)各端口的物理量之間的關(guān)系，實(shí)際的微波/射頻濾波器也是用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量。微波網(wǎng)絡(luò)分為線性與非線性，有源與無源

30、，有耗與無耗，互易與非互易。雙口元件15是在微波工程中應(yīng)用最多的一種元件，主要有濾波器、移相器、衰減器等。與單口元件相似，雙口元件一般采用網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行分析，但是，值得指出的是元件的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)本身還是需要用場論方法求得，或者實(shí)際測量得到，從這個意義上講，場論是問題的內(nèi)部本質(zhì)，而網(wǎng)絡(luò)則是問題的外部特性。幾乎所有的微波元件都可以由一個網(wǎng)絡(luò)來代替，并且可以用網(wǎng)絡(luò)端口參考面上的變量來描述其特性（在傳輸線上端口所在的位置，與能流方向垂直的橫截面通常稱為“參考面”）。選擇參考面的原則是在該參考面以外的傳輸線上只傳輸主模。微波網(wǎng)絡(luò)有不同的網(wǎng)絡(luò)參量：阻抗參量z、導(dǎo)納參量y和a參量反映的是參考面上電壓與電流的關(guān)系；

31、散射參量s、傳輸參量t反映的是參考面上歸一化入射波電壓和歸一化反射波電壓之間的關(guān)系。在微波頻率下，阻抗參量z、導(dǎo)納參量y和a參量不能直接測量，所以引入散射參量s和傳輸參量t。利用s參量，射頻電路設(shè)計(jì)者可以在避開不現(xiàn)實(shí)的終端條件以及避免造成待測器件損壞的前提下，用兩端口網(wǎng)絡(luò)的分析方法來確定幾乎所有射頻器件的特征，故s參量是微波網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的一種主要參量。二端口網(wǎng)絡(luò)su1u2a1a2b2b1i21 端口2 端口i1圖3-2 二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖s參量是根據(jù)某端口上接匹配負(fù)載的情況下所得到的歸一化波來定義的。設(shè)an表示第n個端口的歸一化入射波電壓，bn表示第n個端口的反射波歸一化電壓。所謂歸一化波，就

32、是各端口的波用其對應(yīng)端口的參考阻抗進(jìn)行歸一化后得到的波，它們與同端口的電壓的關(guān)系為 （3-1） （3-2）對于線性二端口網(wǎng)絡(luò)（如圖3-2所示），歸一化入射波a和反射波b之間存在如下關(guān)系: (3-3a) (3-3b)式（3-3）寫成矩陣形式為b=sa （3-4）矩陣s稱為二端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣或s矩陣，表示為 （3-5）式（3-5）中的矩陣元素稱為網(wǎng)絡(luò)的散射參量，各項(xiàng)矩陣參量的物理意義為：表示端口2匹配時，端口1的反射系數(shù)；表示端口1匹配時，端口2的反射系數(shù)；表示端口1匹配時，端口2到端口1的傳輸系數(shù)；表示端口2匹配時，端口1到端口2的傳輸系數(shù)；ai=0表示第i個端口接匹配負(fù)載，該端口不存在反射波

33、。對s11的模取對數(shù)就可以得到以db為單位的回波損耗16： （3-6）另外2端口的電壓與信號源的電壓有直接關(guān)系，所以s21可以用來表示網(wǎng)絡(luò)的正向電壓增益： （3-7）s參量是射頻電路中最常用的參量，由于s參量很適合描述射頻電路的相關(guān)性能參數(shù)，因此在射頻電路中有著十分廣泛的作用，是本次設(shè)計(jì)所要求的重要指標(biāo)。3.3 ads介紹及優(yōu)化原則先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(advanced design system)，簡稱ads，是安捷倫科技有限公司(agilent)為適應(yīng)競爭形勢，為了高效的進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)，而設(shè)計(jì)開發(fā)的一款eda軟件。ads電子設(shè)計(jì)自動化功能十分強(qiáng)大，包含時域電路仿真 (spice-like sim

34、ulation)、頻域電路仿真 (harmonic balance、linear analysis)、三維電磁仿真 (em simulation)、通信系統(tǒng)仿真(communication system simulation)、數(shù)字信號處理仿真設(shè)計(jì)（dsp）；ads支持射頻和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師開發(fā)所有類型的rf設(shè)計(jì)，從簡單到復(fù)雜，從離散的射頻/微波模塊到用于通信和航天/國防的集成mmic，是當(dāng)今國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的微波/射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件軟件17。在進(jìn)行優(yōu)化時，本次主要針對的目標(biāo)是s參數(shù)，s 參數(shù)是入射波和反射波建立的一組現(xiàn)性關(guān)系，在微波電路中通常用來分析和描述網(wǎng)絡(luò)的輸入特性。s

35、參數(shù)中的s11，和s12 反映了輸入輸出端的駐波特性，s21 反映了電路的幅頻和相頻特性以及群時延特性，s12反映電路的隔離性能。 第4章 帶通濾波器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化微帶帶通濾波器是一種被廣泛研究的微波濾波器類型，它的品種繁多，性能各異，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一。微帶線帶通濾波器是一種分布參數(shù)濾波器，它是由微帶線或耦合微帶線組成，具有體積小、重量輕、價格低、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在微波工程中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。下面是本人設(shè)計(jì)的濾波器的流程圖：確定濾波器指標(biāo)計(jì)算查表得濾波器階數(shù)n確定標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)計(jì)算傳輸線基模、偶模特性阻抗利用ads工具計(jì)算各節(jié)耦合線幾何尺寸原理圖繪制利用ads進(jìn)行仿真得到波形

36、達(dá)到技術(shù)指標(biāo)利用ads優(yōu)化w、l、sny得到最終w、s、l圖4-1 設(shè)計(jì)流程圖 l表示微帶線長，w表示線寬，s表示微帶線導(dǎo)體帶的間隔。4.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)通帶1.92ghz，帶內(nèi)衰減小于2db，起伏小于1db。1.7ghz以下及2.2ghz以上衰減大于40db。4.2 原理圖設(shè)計(jì)基板參數(shù)：h:基板厚度(0.8 mm)er:基板相對介電常數(shù)(4.3)mur:磁導(dǎo)率(1)cond:金屬電導(dǎo)率(5.88e+7)hu:封裝高度(1.0e+33 mm)t:金屬層厚度(0.03 mm)tand:損耗角正切(1e-4)roungh:表面粗糙度(0 mm)主要關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)：通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏；阻帶邊

37、界頻率與阻帶衰減 。這兩項(xiàng)是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性能和種類(高通、低通、帶通、帶阻等)。圖4-1是一個微帶帶通濾波器及其等效電路，它由平行的耦合線節(jié)相連組成，并且是左右對稱的，每一個耦合線節(jié)長度約為四分之一波長(對中心頻率而言)，構(gòu)成諧振電路。圖4-2 微帶帶通濾波器模型及其等效電路圖在進(jìn)行設(shè)計(jì)時，主要是以濾波器的s參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真。s21(s12)是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在s21(s12)隨頻率變化曲線的形狀上。s11(s22)參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，由它可以換算出輸入、輸出端的電壓駐波比。如果反射系數(shù)過大

38、，就會導(dǎo)致反射損耗增大，并且影響系統(tǒng)的前后級匹配，使系統(tǒng)性能下降。4.2.1 低通濾波器原型的參數(shù)的計(jì)算首先根據(jù)濾波器參數(shù)指標(biāo)，計(jì)算出濾波器低通歸一化頻率通帶衰減為2分貝，故選用2db波紋的切比雪夫低通濾波器原型，其阻帶衰減特性圖如圖4-2：圖4-3 2db波紋的切比雪夫低通濾波器的阻帶衰減特性故可知濾波器級數(shù)n=3，同時切比雪夫?yàn)V波器元件參數(shù)表如圖4-3：圖4-4 切比雪夫低通濾波器元件數(shù)值可知具有帶內(nèi)波紋2db的3階切比雪夫標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)g0=g4=1.0000，g1=g3=2.7107，g2=0.8327。4.2.2 奇模和偶模特性阻抗的計(jì)算首先由下列各式(4-1)、(4-2)、(4

39、-3)計(jì)算出耦合間變換的特性導(dǎo)納。 (4-1) (4-2) (4-3)上式中是低通原型濾波器的歸一化值。fbw是帶通濾波器的相對帶寬，是j變換的特性導(dǎo)納，y是輸入輸出微帶線端的特性導(dǎo)納。利用下面的公式(4-4)、(4-5)計(jì)算出奇偶模特性阻抗。 (4-4) (4-5)表4-1 各節(jié)奇偶特性阻抗數(shù)值第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)偶模阻抗60.152.852.860.1奇模阻抗42.947.547.542.94.2.3 微帶線尺寸的計(jì)算在微帶帶通濾波器中，也經(jīng)常用半波長平行耦合諧振電路來級聯(lián)形成帶通濾波器。此種濾波器的結(jié)構(gòu)形式使相鄰的半波長諧振單元彼此平行排列，其耦合值的大小通過相鄰平行耦合線間的距離來

40、決定。因而，這種結(jié)構(gòu)形式的濾波器容易易用來制造帶通濾波器。ads軟件中的工具tools，可以對不同類型的傳輸線進(jìn)行計(jì)算。對于平行耦合微帶線來說，可以進(jìn)行物理尺寸和點(diǎn)參數(shù)之間的數(shù)值轉(zhuǎn)換，若給定平行耦合微帶線奇模和偶模的特性阻抗，可以計(jì)算平行耦合微帶線的導(dǎo)體帶的寬度和間隔距離。根據(jù)所求得奇偶模特性阻抗利用ads軟件linecalc來計(jì)算微帶尺寸，將窗口里的參數(shù)修改為所給定的基板參數(shù)，并注意長度單位為mm，同時修改type為mclin以及中心頻率為1.95ghz。運(yùn)行中的窗口如圖4-4所示：圖4-5 linecale計(jì)算微帶線尺寸由此得到的各耦合段物理尺寸，如下表所示：表4-2 各節(jié)物理尺寸數(shù)值cl

41、1cl2cl3cl4w1.400mm1.497mm1.497mm1.400mms0.594mm1.885mm1.885mm0.594mml21.606mm21.383mm21.383mm21.606mm4.2.4 原理圖的繪制首先建立濾波器的主要結(jié)構(gòu)，即4個平行耦合微帶線，在選擇2個普通微帶線插入，插入?yún)?shù)設(shè)置控件并修改為指定參數(shù)。將4節(jié)微帶線的尺寸修改為上述計(jì)算出的數(shù)字，并設(shè)置參數(shù)仿真控制器的掃頻參數(shù)，進(jìn)行原理圖仿真，其原理圖如圖4-5所示：圖4-6 微帶帶通濾波器原理圖上圖中，mcfil是平行耦合線，是濾波器的主要結(jié)構(gòu)，它的長l約為四分之一波長(根據(jù)中心頻率用微帶線計(jì)算工具算出)，其主要參

42、數(shù)就是以上計(jì)算的w、s、l；mlin是普通微帶線，是特性阻抗為50歐姆的微帶線，它的寬度w可由微帶線計(jì)算工具linecalc得到線寬1.521mm；musb是微帶線參數(shù)設(shè)置控件；s-parameters是s參數(shù)仿真控制器。平行耦合線濾波器的結(jié)構(gòu)是對稱的，所以四個耦合線節(jié)中，第1、4及2、3節(jié)微帶線長l、寬w和縫隙s的尺寸是相同的。4.3 原理圖仿真及優(yōu)化由于在原理圖中已經(jīng)放置了仿真控制器，故可直接運(yùn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4-6及圖4-7所示：圖4-7 s(1,2)參數(shù)曲線圖4-8 s(1,1)參數(shù)曲線從圖可以看出，中心頻率出現(xiàn)了明顯的偏移現(xiàn)象。這是由于在設(shè)計(jì)平行耦合微帶帶通濾波器時沒有考慮邊緣場

43、效應(yīng)的影響，為此需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化控制器參數(shù)。耦合線的微帶線長l、寬w和縫隙s是濾波器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的主要參數(shù)，在優(yōu)化中要用變量代替，便于后面修改和優(yōu)化，本次優(yōu)化使用的是ads提供的optim(optimization)優(yōu)化工具。首先修改原理圖中耦合微帶線的取值方式，將平行耦合微帶線段的導(dǎo)體帶寬度w、兩個導(dǎo)體帶間隔s和耦合微帶線的長度l設(shè)為變量，并設(shè)置好4個平行耦合微帶線的尺寸，其中clin1的尺寸設(shè)計(jì)如圖4-8所示，其他的根據(jù)結(jié)構(gòu)上的對稱關(guān)系類推：圖4-9 clin1尺寸設(shè)置之后插入變量控件，針對每個變量設(shè)置其優(yōu)化范圍，具體圖示如圖4-9所示：圖4-10 變量控件設(shè)置然后在原理圖設(shè)計(jì)

44、窗口中選擇一個優(yōu)化控件optim插入到原理圖中，并同時在元件面板列表中選擇3個優(yōu)化目標(biāo)控件goal插入其中，優(yōu)化目標(biāo)1針對通帶，優(yōu)化目標(biāo)2和優(yōu)化目標(biāo)3針對阻帶衰減。以目標(biāo)控件goal1為例，設(shè)置完成的窗口如圖4-10所示：圖4-11 優(yōu)化目標(biāo)控件設(shè)置可以清楚的看到優(yōu)化范圍是1.9ghz-2.0ghz，衰減最小值為-2db。依次對每個優(yōu)化控件設(shè)置完成后，最終的優(yōu)化原理圖如圖4-11所示：圖4-12 優(yōu)化原理圖如果一次優(yōu)化不能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，則需要改變變量的取值范圍，進(jìn)行重新優(yōu)化，直到滿足要求為止；在每次優(yōu)化完成后，要在原理圖窗口中保存優(yōu)化后的變量值。優(yōu)化完成后必須關(guān)掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲

45、線。再次對優(yōu)化后的微帶原理電路進(jìn)行仿真就可以得到比較滿意的濾波器傳輸和反射曲線如圖4-12及4-13所示：圖4-13 優(yōu)化后s(1,2)仿真曲線圖4-14優(yōu)化后s(1,1)仿真曲線可以從仿真信息窗口中得到符合要求的濾波器的各參數(shù)的確定值如圖4-14所示： 圖4-15 仿真狀態(tài)窗口currentef=0表示達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。觀察s12和s11 曲線是否滿足指標(biāo)要求(包括優(yōu)化目標(biāo)中未設(shè)定的帶內(nèi)起伏小于1db的要求)，如果已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求，就可以進(jìn)行版圖的仿真了，如果沒有達(dá)到指標(biāo)要求，那么就重新進(jìn)行優(yōu)化仿真。4.4 版圖仿真微帶濾波器的實(shí)際電路時有電路板和微帶線構(gòu)成的，實(shí)際電路的性能可能會與原理圖仿真

46、的結(jié)果有很大差別。因此，需要在ads中對版圖進(jìn)行進(jìn)一步的仿真后才能進(jìn)行電路板的制作。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計(jì)算比較復(fù)雜，需要較長的時間，在此作為對原理圖設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。所以在版圖仿真前要看一下相鄰各耦合線節(jié)的微帶線寬是否相差過大，如果相差過大就會造成原理圖和版圖仿真有較大的差別，這就需要改變變量初值重新進(jìn)行優(yōu)化。在原理圖視窗上，去掉平行耦合微帶線帶通濾波器的兩個端口“term”和“接地”，然后再去掉其中的優(yōu)化控件optim，剩下的部分就是用來生成版圖的原理圖了，如圖4-15所示：圖4-16 用于生成版圖的原理圖版圖仿真結(jié)果如圖4-16：圖4-17 版圖仿真版圖生成后先要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)，為了進(jìn)行s參數(shù)仿真還要在濾波器兩側(cè)添加兩個端口，做法是點(diǎn)擊工具欄上的port按鈕，彈出port設(shè)置窗口，點(diǎn)擊ok關(guān)閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別點(diǎn)擊加上兩個port，將版圖放大后可以看到兩個端口如圖4-17所示： 圖4-18 添加端口p1和p2仿真運(yùn)算要進(jìn)行數(shù)分鐘，仿真結(jié)束后將出現(xiàn)曲線顯示窗口，觀察s11和s21曲線，性能有不同程度的惡化，此處要求s12在通帶內(nèi)衰減小于2db，起伏小于1db，阻帶衰減大于40 db。版