ads設(shè)計(jì)的濾波器

1、 1 課題背景隨著信息化浪潮的推進(jìn)，現(xiàn)代社會(huì)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(dòng)通信中所使用的主要頻率為0.8-1.0GHz，全球GSM頻段分為4段，即850/900/1800/1900MHz。在寬帶移動(dòng)化方面，IEEE802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(dòng)這樣的演進(jìn)路線逐步實(shí)現(xiàn)寬帶移動(dòng)化，常用的WLAN通信頻段標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.1b/g(2.4-2.5GHz)和IEEE802.11a(5.2-5.8GHz)。為了在移動(dòng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸，IEEE802.16WiMAX成了寬帶移動(dòng)的主要里程碑，促進(jìn)了

2、移動(dòng)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WiMAX的全球性統(tǒng)一無(wú)線電頻段。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)的的關(guān)鍵之一。 當(dāng)頻率達(dá)到或接近GHz時(shí)，濾波器通常由分布參數(shù)元件構(gòu)成，分布參數(shù)不僅可以構(gòu)成低通濾波器，而且可以構(gòu)成帶通和帶阻濾波器。平行耦合微帶傳輸線由兩個(gè)無(wú)屏蔽的平行微帶傳輸線緊靠在一起構(gòu)成，由于兩個(gè)傳輸線之間電磁場(chǎng)的相互作用，在兩個(gè)傳輸線之間會(huì)有功率耦合，這種傳輸線也因此稱為耦合傳輸線。平行耦合微帶線可以構(gòu)成帶通濾波器，這種濾波器是由四分之一波長(zhǎng)耦合線段構(gòu)成，它是一種常用的分布參數(shù)帶通濾波器。當(dāng)兩個(gè)無(wú)屏蔽的傳

3、輸線緊靠一起時(shí)， 由于傳輸線之間電磁場(chǎng)的相互作用， 在傳輸線之間會(huì)有功率耦合， 這種傳輸線稱之為耦合傳輸線。根據(jù)傳輸線理論， 每條單獨(dú)的微帶線都等價(jià)為小段串聯(lián)電感和小段并聯(lián)電容。每條微帶線的特性阻抗為Z0， 相互耦合的部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)， 微帶線的寬度為W， 微帶線之間的距離為S， 偶模特性阻抗為Z e， 奇模特性阻抗為Z0。單個(gè)微帶線單元雖然具有濾波特性， 但其不能提供陡峭的通帶到阻帶的過(guò)渡。如果將多個(gè)單元級(jí)聯(lián)， 級(jí)聯(lián)后的網(wǎng)絡(luò)可以具有良好的濾波特性。如圖1.1所示。圖1.1 級(jí)聯(lián)后的傳輸線微帶線濾波器具有重量輕、頻帶寬、結(jié)構(gòu)緊湊和易于集成等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種微波通電路中。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)

4、公式和查表來(lái)求得相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，方法復(fù)雜煩瑣，精度不高，性能指標(biāo)不盡如人意。近年來(lái)，隨著微波電路輔助設(shè)計(jì)軟件的不斷發(fā)展，微帶線濾波器的設(shè)計(jì)也進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。計(jì)算機(jī)模擬輔助設(shè)計(jì)可以繞開(kāi)復(fù)雜的理論計(jì)算和推導(dǎo)，利用電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行微帶線濾波器的設(shè)計(jì)。 近年來(lái), 微波電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛, Agilent 公司的高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Advanced DesignSystemADS)軟件就是其中的佼佼者, 它也是國(guó)內(nèi)各大學(xué)和研究所在微波電路和通信系統(tǒng)仿真方面使用最多的軟件之一。ADS仿真設(shè)計(jì)軟件可以模擬整個(gè)信號(hào)通路，完成從電路到系統(tǒng)的各級(jí)仿真。它把廣泛的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的射頻、混合信號(hào)和電磁設(shè)

5、計(jì)工具集成到一個(gè)靈活的環(huán)境中，包括從原理圖到PCB板圖的各級(jí)仿真，當(dāng)任何一級(jí)仿真結(jié)果不理想時(shí)，都可以回到原理圖中重新進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行再次仿真，直到仿真結(jié)果滿意為止，保證了實(shí)際電路與仿真電路的一致性。2 設(shè)計(jì)過(guò)程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(jià)格低、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在微波工程中應(yīng)用廣泛。帶通濾波器的設(shè)計(jì)的流程圖如圖2.1所示。確定濾波器指標(biāo)開(kāi)始計(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)算每節(jié)奇偶膜的特性阻抗利用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)行仿真得到波形是否達(dá)到技術(shù)指標(biāo)得到最終W、S、L利用ADS優(yōu)化W、L

6、、S結(jié)束YN圖2.1 設(shè)計(jì)流程圖2.1 原型濾波器的元件值的歸一化及其計(jì)算帶通濾波器的設(shè)計(jì)通常先把帶通濾波器頻率取歸一化，參考頻率一般取帶通濾波器的頻帶寬度，從而尋找相應(yīng)的低通模型設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)參數(shù)要求的低通濾波器，再進(jìn)行頻率和元件變換得到相應(yīng)的帶通濾波器。（1）根據(jù)需要的的濾波器通帶和阻帶衰減，選擇低通濾波器原型，由此確定濾波器的階數(shù)N，然后選取低通濾波器原型參數(shù)。（2）確定上、下邊頻和歸一化帶寬。假設(shè)下邊頻為w1,上邊頻為w2，中心頻率為w0,歸一化帶寬為，= 其中本設(shè)計(jì)中w2=26GHz，w1=24GHZ， w0=25GHZ = =0.08（3）計(jì)算耦合微帶線各節(jié)偶膜和奇膜的特性阻抗。

7、平行耦合微帶線的偶膜特性阻抗和奇膜特性阻抗為經(jīng)過(guò)計(jì)算，平行耦合微帶線帶通濾波器為3階，即需要4節(jié)耦合微帶線級(jí)聯(lián)。同時(shí)波紋為0.5dB的切比雪夫?yàn)V波器元件參數(shù)表如表2.2所示。表2.2 0.5dB的切比雪夫?yàn)V波器元件參數(shù)表得到=1.5963，=1.0967，=1.5963波紋為0.5dB的切比雪夫?yàn)V波器阻帶衰減特性圖如圖2.3所示。圖2.3 0.5dB的切比雪夫?yàn)V波器阻帶衰減特性圖由于=1.5963，=1.0967，=1.5963經(jīng)過(guò)計(jì)算得到各節(jié)奇偶特性阻抗數(shù)值（單位為歐姆）如表2.4所示。第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)偶膜阻抗67.9655.2067.9655.20奇膜阻抗39.9145.7039.

8、9145.70表2.4 奇偶特性阻抗數(shù)值2.2 原理圖的繪制（1） 創(chuàng)建項(xiàng)目（2） 創(chuàng)建原理圖（3） 利用ADS的計(jì)算工具TOOLS完成對(duì)平行耦合微帶線的計(jì)算在【LineCalc】計(jì)算窗口中將Type項(xiàng)選擇為MLIN，輸入的基板參數(shù)為H:基板厚度（1mm）Er:基板相對(duì)介電常數(shù)（2.7）Mur:磁導(dǎo)率（1）Cond:金屬電導(dǎo)率（5.8e+7）Hu:封裝高度（1.0e+33mm）T:金屬層厚度（0.05mm）Tand:損耗角正切(0.0003)Roungh:表面粗糙度(0mm)然后輸入中心頻率為25GHz,特性阻抗Z0為50Ohm，相位延遲E_Eff為90，計(jì)算出微帶線的線寬W=3.034400

9、mm,長(zhǎng)度L=1.390610mm。繼續(xù)使用【LineCalc】計(jì)算窗口進(jìn)行計(jì)算，將Type項(xiàng)選擇為MCLIN，輸入奇膜和偶膜的特性阻抗，計(jì)算出微帶線導(dǎo)體帶的寬度W，間隔S，微帶線的長(zhǎng)度L，如表2.5所示。CL1CL2CL3CL4W2.354090mm2.903140mm2.903140mm2.354090mmS0.229490mm1.005390mm1.005390mm0.229490mmL1.433730mm1.398760mm1.398760mm1.433730mm表2.5 微帶線導(dǎo)體帶的寬度W，間隔S，微帶線的長(zhǎng)度L數(shù)值（4）設(shè)計(jì)原理圖首先建立濾波器的主要結(jié)構(gòu)，即4個(gè)平行耦合微帶線，再

10、選擇2個(gè)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2.6所示。圖2.6 原理圖2.3 原理圖仿真及優(yōu)化（1）點(diǎn)擊仿真按鈕，得到的仿真圖如圖2.7所示。圖2.7 仿真圖從圖中可以看出來(lái)，中心頻率25GHz出現(xiàn)了明顯的偏移現(xiàn)象，并且頻率在26GHz時(shí)衰減超過(guò)3 。這是由于在設(shè)計(jì)平行耦合微帶帶通濾波器沒(méi)有考慮邊緣場(chǎng)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)以及優(yōu)化控制器參數(shù)。耦合線的微帶線長(zhǎng)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，便于修改和優(yōu)化。（2）優(yōu)化在原理圖設(shè)計(jì)窗口

11、中選擇一個(gè)優(yōu)化控件Optim插入到原理圖中，并且同時(shí)在元件面板列表中選擇4個(gè)優(yōu)化目標(biāo)控件，如圖2.8所示。圖2.8 優(yōu)化控件以及優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后的原理圖如圖2.9所示。圖2.9 優(yōu)化之后原理圖如果一次優(yōu)化不能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，則需要修改變量的取值范圍，重新進(jìn)行優(yōu)化，直到滿足要求為止。點(diǎn)擊仿真按鈕，得到的仿真圖如圖2.10所示。圖2.10 仿真圖可以從仿真信息窗口得到符合要求的濾波器的各參數(shù)的確定值如圖2.11所示。 圖2.11 優(yōu)化之后各參數(shù)優(yōu)化仿真后，觀察反射系數(shù)S11 和傳輸系數(shù) S21這兩條曲線，濾波器的中心頻率為25GHz,濾波器的通帶為24GHz-26GHz,在通帶范圍內(nèi)衰減

12、在3 以內(nèi)，并且濾波器在中心頻率25GHz反射系數(shù)衰減是最大。從而說(shuō)明優(yōu)化的濾波器已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)成功。3 心得體會(huì)剛拿到這個(gè)project的時(shí)候，一頭霧水，MATLAB,ADS,HFSS這三個(gè)軟件，本科階段都沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)，所以剛開(kāi)始感覺(jué)困難。我就向舍友尋求幫助，正好有個(gè)舍友本科的畢業(yè)設(shè)計(jì)是用MATLAB設(shè)計(jì)的濾波器，她讓我參考吳鎮(zhèn)揚(yáng)老師編寫(xiě)的數(shù)字信號(hào)處理里面設(shè)計(jì)濾波器的程序，結(jié)果最后只能編寫(xiě)出來(lái)傳輸系數(shù)這條曲線。準(zhǔn)備換成HFSS試試，就到圖書(shū)館借了幾本參考書(shū)，照著書(shū)上的例題，設(shè)計(jì)了一個(gè)交叉耦合濾波器，在設(shè)計(jì)這個(gè)交叉耦合濾波器的過(guò)程中學(xué)到了好多以前沒(méi)有接觸到的知識(shí)，感覺(jué)非常開(kāi)心。后來(lái)同學(xué)介紹用ADS設(shè)計(jì)濾波器容易些，于是到圖書(shū)館借了幾本相關(guān)參考書(shū)，首先照著上面的例題設(shè)計(jì)濾波器。最后終于完成了符合技術(shù)指標(biāo)的濾波器。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，出現(xiàn)了兩個(gè)主要問(wèn)題，第一個(gè)就是計(jì)算奇偶膜特性阻抗的時(shí)候，中心頻率忘記修改了，最后把中心頻率修改為25GHz,就可以正確計(jì)算出奇偶膜的特性阻抗。第二個(gè)問(wèn)題是優(yōu)化的時(shí)候沒(méi)有設(shè)計(jì)變量的范圍，一直提示錯(cuò)誤。最后通過(guò)看書(shū)和請(qǐng)教同學(xué)查出了錯(cuò)誤原因，設(shè)計(jì)出變量的范圍，優(yōu)化成功了。通過(guò)這次課題設(shè)計(jì)，使我不僅學(xué)到了通信專業(yè)相關(guān)知識(shí)，更重要的是