切比雪夫帶通濾波器

1、* *院西理N季儻課程設(shè)計(jì)題 目切比雪夫帶通濾波器的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 學(xué)號(hào)所在院系物理與電信工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)電子1104指導(dǎo)教師聶翔完成地點(diǎn)博遠(yuǎn)樓計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室2021年1月08日摘要微波濾波器在衛(wèi)星通信、雷達(dá)技術(shù)、電子對(duì)抗及微波測(cè)量?jī)x器中都有廣泛的應(yīng)用.無(wú)論是發(fā)射機(jī)還是接收機(jī), 都需要選擇特定頻率的信號(hào)進(jìn)行處理,濾除其他頻率的干擾信號(hào),這就需要使用濾波電路來(lái)別離有用信號(hào)和干擾信號(hào).切比雪夫?yàn)V波器在過(guò)渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快,但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦,切比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小.本文借助ADS2021仿真軟件,設(shè)計(jì)出一種切比雪夫帶通濾波器,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)步驟,節(jié)省

2、了設(shè)計(jì)時(shí)間.關(guān)鍵字：ADS軟件 帶通濾波器 切比雪夫目錄1設(shè)計(jì)方法與參數(shù)3.1.1 將帶通原型參數(shù)變換為低通原型參數(shù)；31.2 參數(shù)計(jì)算4.2軟件仿真4.2.1 創(chuàng)立工程4.2.2 利用ADS的計(jì)算工具tools完成對(duì)微帶濾波器的計(jì)算 52.3 設(shè)計(jì)原理圖7.2.4 原理圖仿真&2.5 原理圖優(yōu)化102.6 幅員生成與仿真 1.53設(shè)計(jì)心得：1.6參考文獻(xiàn)1.71設(shè)計(jì)方法與參數(shù)設(shè)計(jì)帶通濾波器的方法有很多種, 但最為產(chǎn)檢的是低通原型濾波器綜合法和數(shù)值法,這兩種方法與設(shè)計(jì)師多種可能解決方案之間的抉擇緊密關(guān)聯(lián).相對(duì)與巴特沃茲濾波器, 切比雪夫?yàn)V波器具有的較窄的過(guò)渡帶, 但這是以犧牲濾波器通帶

3、和阻帶的波紋性換來(lái)的.主要的技術(shù)指標(biāo)：(1)中央頻率f025GHz;(中央頻率f0 , fh、力分別為帶通濾波器的上、下邊 界頻率.)(2)輸入輸出阻抗：50;(3)帶內(nèi)波動(dòng)：3dB;(通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量)(4)相對(duì)帶寬：20%;(信號(hào)帶寬與中央頻率之比)(5)階數(shù)：3階1.1 將帶通原型參數(shù)變換為低通原型參數(shù)；W' f0 f f0由低通原型濾波器變換為帶通濾波器的公式為：1 二;7, T 二；W' BW f0 f其中f0 JfTT為帶通濾波器中央頻率,fh、t分別為帶通濾波器的上、 下邊界頻率.BW為濾波器的帶寬BW= fh- fi.依據(jù)切比雪夫低通濾波器原型的歸一

4、化元件值可得：3階帶通濾波器元件值依次為： g0=1.0、g1=1.5963 、g2=1.0967、g3=1.5963 、g4=1.0 .1.2 參數(shù)計(jì)算使用歸一化設(shè)計(jì)參數(shù) g1-g4和歸一化帶寬BW可以得到通帶濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)Jn,n 1Z0 2vgngn 1由上式的通帶電路設(shè)計(jì)參數(shù)可以得到奇模和偶模特征阻抗,其值為：Zo li,i 1 Zo 1 Z°Ji,i 12Z0Ji,i 1Ze li,i 1 Z0 1 Z°Ji,i 12Z0Ji,i 1式中Z0為特征阻抗,取值為50,將g0=1.0、g1=1.5963 、g2=1.0967、g3=1.5963、g4=1.0 帶入上

5、述式中依次得到:Jo,1 =0.0140、Ji,2 =0.0119、12,3 =0.0119、13,4 =0.0140解出特征阻抗為：奇模：Zo |o,i =39.50、Zo 1,2 =37.95、Z0 心=37.95、Z° L =39.50偶模：Ze|0,1 =109.50、Ze|1,2=97.45、Ze |2,3=97.45、Ze|3,4=109.502軟件仿真2.1 創(chuàng)立工程啟動(dòng)ADS軟件,彈出主視窗.選擇主視窗中的 file 菜單-【new project ,彈 出【new project 對(duì)話框,在【new project 對(duì)話框輸入工程名稱(chēng)和這個(gè)工程默認(rèn)的長(zhǎng)度單位.2.2

6、 利用ADS的計(jì)算工具tools完成對(duì)微帶濾波器的計(jì)算ADS軟件中白工具tools ,可以對(duì)不同類(lèi)型的傳輸線進(jìn)行計(jì)算,使用者可以利用計(jì)算工具提供的圖形化界面進(jìn)行設(shè)計(jì).對(duì)于平行耦合微帶線來(lái)說(shuō),可以進(jìn)行物理尺寸和電參數(shù)之間的數(shù)值計(jì)算,假設(shè)給定平行耦合微帶線奇模和偶模的特性阻抗,可以計(jì)算平行耦合微帶線導(dǎo)體帶的角度和間隔距離.下面利用ADS軟件提供的計(jì)算工具,完成對(duì)平行耦合微帶線的計(jì)算.在原理圖上,選擇【tools 菜單-> LineCalc -> Start LineCalc 命令,彈 出【LineCalc 計(jì)算窗口.如圖示.設(shè)置所需參數(shù).在【LineCalc】計(jì)算窗口選擇如下:Er=2

7、.7 ,表示微帶線基板的相對(duì)介電常數(shù)為2.7.Mur=1 ,表示微帶線的相對(duì)磁導(dǎo)率為1.H=1mm ,表示微帶線基板的厚度為1mm.Hu=1.0e+033,表示微帶線的封裝高度為1.0e+033 ,T=0.05mm ,表示微帶線的導(dǎo)體厚度為0.05mm .Cond=5.8E+7 ,表示微帶線導(dǎo)體的電導(dǎo)率為5.8E+7 .TanD=0.0003 ,表示微帶線的損耗角正切為0.0003.Freq=2.4GHZ ,表示計(jì)算時(shí)采用的頻率為2.4GHZ.Ze,表示計(jì)算時(shí)偶模的特性阻抗.Zo ,表示計(jì)算時(shí)奇模的特性阻抗.2.3 設(shè)計(jì)原理圖在原理圖的元件面板列表中,選擇【 TLines-Microstrip

8、 ,元件面板上出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的元 件圖標(biāo).在元件面板上選擇Mcfil , 4次插入原理圖的畫(huà)圖區(qū),可以設(shè)置這段微帶線的導(dǎo)體帶寬度 W,導(dǎo)體帶間隔S和長(zhǎng)度L.分別雙擊畫(huà)圖區(qū)的 4個(gè)Mcfil ,將4個(gè)Mcfil的數(shù)值根 據(jù)列表中的數(shù)值設(shè)置,在微帶線元件面板上選擇MLIN ,兩次插入原理圖的畫(huà)圖區(qū),MLIN是一段長(zhǎng)度的微帶線,可以設(shè)置這段微帶線的寬度W和長(zhǎng)度L.分別雙擊可以設(shè)置. 選才i S參數(shù)仿真元件面板, 在元件面板上選擇負(fù)載終端Term ,兩次插入原理圖,再插入兩次地線,完成連線如下列圖H一常目獸r 春smL玲n -Mg - t ss.s s“ 5S7壹 jwnl TA-MmF -si - ,f工

9、尋一gL : pm9笈H含1-. .' 冬 mF . 一冬號(hào)|:3 31產(chǎn)F哥, 穹 尋一s S蔓等. 3-審問(wèn)M;- - -( r§.s家&耳 有宜昌.-SJL三 1.1 一心一接當(dāng)s. 口 J&3 直-±缸 一愛(ài)!星- £Bi La-33mll回軍善： :-irsw與 皿1出示宣.7營(yíng)靠直立宣S京 E63W 昌£.sus蘭W wm ilI2E一己-&-置gqM 檔331: L包W2.4 原理圖仿真在仿真之前,首先設(shè)置 S參數(shù)仿真控件SP, SP對(duì)原理圖中的仿真參量給出取值范圍,當(dāng)S參數(shù)仿真控件SP確定后,就可以仿真了.

10、在S參數(shù)仿真元件面板Simulation-S Param 上,選擇S參數(shù)仿真控件 SP,插入原理圖區(qū),對(duì) S參數(shù)控件設(shè)置如下 start=1.0GHz , stop=4GHz , step=20MHzS-PARAME7ERSS_ParamSP1. . . 1Start-1.0 GHzStop=4 GHzStep=20 MHz仿真后波形如下nn1rreq=1,940GHzdB(S(2/)=4).571m3 fneq=2.440GHz dB(S(2.1)0,530m2freq =2.900GHz dB(S(2,1)=0579(Ezwopfreq, GHz序號(hào)頻率dB(S(2 , 1)M11.940

11、GHz0.571M22.900GHz0.579M32.440GHz0.530從圖中得中央頻率為 2.44,出現(xiàn)偏移,且通帶帶寬太大,帶內(nèi)紋波和衰減不滿足要求,所以要進(jìn)行優(yōu)化.2.5 原理圖優(yōu)化修改平行微帶線段的取值方式,將平彳r耦合微帶線段的導(dǎo)體帶寬度w、兩個(gè)導(dǎo)體帶的間隔s和耦合微帶線的長(zhǎng)度 l設(shè)置為變量,并設(shè)置相鄰平行耦合微帶線的尺寸,分別在下面窗口中設(shè)置4段微帶線設(shè)置完成后,在原理圖的工具欄選擇【VAR】按鈕,插入原理圖的畫(huà)圖區(qū).在畫(huà)圖區(qū)雙擊VAR ,彈出Variables and Equations 對(duì)話框,在對(duì)話框中對(duì)變量w1、si、11、w2、 s2、12的范圍進(jìn)行設(shè)置得到rn va

12、rE. qr VAR1w1 =2.026219 t o.w2-2,5701 t c.s1=0.27101 t o52=1.240136 t oM=2L4913t<412=21.0792 t0在原理圖中插入優(yōu)化控件 Optim ,雙擊優(yōu)化控件 Optim ,設(shè)置優(yōu)化次數(shù)為 100次OPTIMUseAIIGoals=yesSaveCurrentEF=noOptim Optim j Optim Type- Ran dom Maxi 怕用=100DesiredError=O.0 StatusLevel=4 FinalAnalysis="None" NQrmalizeGoals

13、=no SetBestValues=yes Seed=Sa«Solns=yes SayeGoals=yes Sa«OptiinVars=no Update Datas et=yes SajeNominal-no SafiAlllteraticns=no UsoAIIO ptVars= yes在原理圖中插入 3個(gè)目標(biāo)控件GOAL,雙擊設(shè)置如下GOALGOALGOALGodi Gem一-OplfcriGoall .Optimoal2.OptimiGDalSEjtpr="d9(£(11)rExp 它PE*pi)rExpn="dBiS(2.1)?Sfc

14、rn instanceNam e- 5F1寫(xiě) rm In $ta n 匚 ehigm 5戶 1"Sim i ns(a rK eN am e-L S31LMiri«0.5Min*Max=KWEOMa)t=2CiW叫"W 啊 ht=Waighl=Ring#Yirt1=Tr*q"Rangs'arfl J="fwq"Ringti/ar(1=,Tr#q"Ran5eMin1=2 2$G 也RangeMiri1J=1 aSGHE廂 ngMin 口尸 2 9GHzR甘班加N*產(chǎn)之7SGHZF?anfle'.ial|=l 9G

15、H工Rangef/34i;=2 91Gh'z最后所得的優(yōu)化原理圖為ffis- - 我：-JI用工一m v募a1國(guó)翼I ,營(yíng)工 言亭勒京 Nrarca雪 Atf.g等杰 軍淳良彳宰 均配用力一 國(guó)也5濟(jì)T 號(hào)逗號(hào)£耳 次更烹日里“ 等會(huì)京萍§,克i: -,贊 ,ss 'E:.T邕號(hào) ,更gtntlrnp- . /“ 一舅獸. w<lln一招巨自r-le3R r留 . 暨：83為 K.T 旨 FI. 3k sldH. 11直:i Xir Mrr要可 is 士尊g?W生rmw言 :星尋忌： 毛皂TH 宮IT-v, Iga 注賓w :1 -旨宜I- -ff-.

16、itsF策 £§" <密與： SnidJide 靈專(zhuān)一rlsalM,LsprsinDiaKdwnT- , .:二墾事等 索 Y曷s 一辜 #辜 Rqrqx通電巴宜R'g停冕 -言萬(wàn)一營(yíng)®-量毒魚(yú)HRrihs毒 R思直不鬢 Rin0T“13KHLR*霍普得到仿真的波形圖如下,m2fwtp2.1 DCGHZ d 曲2t 1)尸1一054 optltef=0mi fFea=2B0DGHi 0日8(?,1力二七甘56 optlorOm3frup2 900 GHz d0CS(Zl)=-O.57S optlter=C如上圖所示,優(yōu)化后并不滿足設(shè)計(jì)要求.

17、最后通過(guò)工具欄中【 Simulate > Tuning 進(jìn)行調(diào)諧.如下列圖所示:SSTu門(mén),Si 認(rèn)cfu1 XT>3Se酬 Sli Jcr t申5匕?pVpdkt« 5更hqnEE.得到仿真圖如下:二二m 1freq=2 240GHz;dB 布(21 足 ©566(二巴mspm3freq=2 400GHi那么S兇)尸電410m4freq=2 500GHz(JB 忐(2,1)? 2324m2 freq=2.760GH 工 dB電(2J爐 0470S11 :端口 2匹配時(shí),端口S22 :端口 1匹配時(shí),端口S12 :端口 1匹配時(shí),端口S21 :端口 2匹配時(shí),端

18、口1的反射系數(shù)；2的反射系數(shù)；2到端口 1的反向傳輸系數(shù);1到端口 2的正向傳輸系數(shù);對(duì)于互易網(wǎng)絡(luò),有：S12 = S21;對(duì)于對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò),有：S11 =S22序號(hào)頻率Db(S(2,1)M12.240GHz-0.566M22.760GHz-0.470M32.400GHz-3.410M42.500GHz-2.324從上表可以看出:M4為中央頻率為2.5GHz在中央,滿足技術(shù)指標(biāo),M1為上邊頻2.24GHz , M2為下邊頻2.76GHz ,滿足技術(shù)指標(biāo)由M2和M3得帶內(nèi)波紋為 2.940dB相對(duì)帶寬20%滿足技術(shù)指標(biāo)(2.24-2.76GHZ )2.6 幅員生成與仿真(1)在原理圖視窗上,單擊原理

19、圖工具欄中的【 Deactive or Active Component 按鈕, 然后單擊兩個(gè)端口的 Term、接地、和優(yōu)化控件,去掉階梯阻抗帶通濾波器兩個(gè)端口的 Term、 接地和優(yōu)化控件,不讓它們出現(xiàn)在生成的班圖中.(2)選擇原理圖上的【Layout】 菜單 > 【Generate/Update Layout】,彈出 【Generate/Update Layout 設(shè)置窗口,單擊窗口上的【 OK】按鈕.默認(rèn)它的設(shè)置.(3)完成幅員的生成過(guò)程后,幅員視窗會(huì)自動(dòng)翻開(kāi),畫(huà)圖區(qū)會(huì)顯示剛剛生成的幅員,如圖 所示.原理圖中構(gòu)成濾波器電路的各種微帶線元件模型,在幅員中已經(jīng)轉(zhuǎn)化成實(shí)際微帶線.(4)選擇幅員工具欄上的端口Port ,兩次插入幅員,輸入端口設(shè)置為端口1,輸出端口設(shè)置為端口 2.(5)下面設(shè)置微帶線的根本參數(shù).為了使幅員的仿真結(jié)果有效,必須