實驗一射頻濾波器設(shè)計

1、實驗一 射頻濾波器設(shè)計一、實驗?zāi)康模?）了解微波濾波電路的原理及設(shè)計方法。（2）學(xué)習(xí)使用ADS軟件進行微波電路的設(shè)計，優(yōu)化，仿真。（3）掌握微帶濾波器的制作及調(diào)試方法。二、實驗內(nèi)容（1）使用ADS軟件設(shè)計一個微帶帶通濾波器，并對其參數(shù)進行優(yōu)化、仿真。（2）根據(jù)軟件設(shè)計的結(jié)果繪制電路版圖，并加工成電路板。（3）對加工好的電路進行調(diào)試，使其滿足設(shè)計要求。三、 設(shè)計指標(biāo)設(shè)計指標(biāo)：通帶3.03.1GHz，帶內(nèi)衰減小于2dB，起伏小于1dB，2.8GHz以下及3.3GHz以上衰減大于40dB，端口反射系數(shù)小于-20dB。四、實驗原理下圖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

2、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。等效電路在進行設(shè)計時，主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進行優(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，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。五、實驗步驟（1）啟動ADS （2）創(chuàng)建新的工程文件（3）生成微帶濾波器的原理圖，如圖1所示。1 / 9圖1 微帶濾波器原理圖(4) 設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)雙擊圖上的

3、控件MSUB設(shè)置微帶線參數(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)(5) 計算微帶線的線寬和長度濾波器兩邊的引出線是特性阻抗為50歐姆的微帶線，它的寬度W可由微帶線計算工具得到，具體方法是點擊菜單欄Tools -> LineCalc -> Start Linecalc， 填入50 Ohm和90 deg可以算出微帶線的線寬1.52 mm和長度13.63 mm(四分之一波長

4、)。(6) 設(shè)置微帶器件的參數(shù)雙擊兩邊的引出線TL1、TL2，分別將其寬與長設(shè)為1.52 mm和2.5 mm(其中線長只是暫定，以后制作版圖時還會修改)。通過添加變量實現(xiàn)對五個耦合線節(jié)微帶線線長L，寬W和縫隙S的尺寸進行設(shè)置。由于平行耦合線濾波器的結(jié)構(gòu)是對稱的，所以五個耦合線節(jié)中，第1、5及2、4節(jié)微帶線長L、寬W和縫隙S的尺寸是相同的。 圖2是設(shè)置微帶器件參數(shù)后的原理圖圖2 設(shè)置微帶器件參數(shù)后的原理圖(7) 添加變量單擊工具欄上的VAR 圖標(biāo)，把變量控件VAR放置在原理圖上，雙擊該圖標(biāo)彈出變量設(shè)置窗口，依次添加各耦合線節(jié)的W，L，S參數(shù)。在name欄中填變量名稱，Variable Value

5、欄中填變量的初值，點擊Add添加變量，然后單擊Optimization/Statistics Setup按鈕設(shè)置變量的取值范圍，其中的Enabled/Disabled表示該變量是否能被優(yōu)化。耦合線節(jié)的長L約為四分之一波長(根據(jù)中心頻率用微帶線計算工具算出)，微帶線和縫隙的寬度最窄只能取0.2 mm(最好取0.5 mm以上)。(8) S參數(shù)仿真電路設(shè)置選擇Term放置在濾波器兩邊，用來定義端口1和2，點擊接地圖標(biāo)，放置兩個地，并按照圖3連接好電路。選擇S參數(shù)掃描控件放置在原理圖中，并設(shè)置掃描的頻率范圍和步長，頻率范圍根據(jù)濾波器的指標(biāo)確定(要包含通帶和阻帶的頻率范圍)。圖3 添加變量和S參數(shù)仿真的

6、電路原理圖(9) 優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置選擇優(yōu)化設(shè)置控件放置在原理圖中，雙擊該控件設(shè)置優(yōu)化方法及優(yōu)化次數(shù)。選擇優(yōu)化目標(biāo)控件Goal 放置在原理圖中，雙擊該控件設(shè)置其參數(shù)。這里總共設(shè)置了四個優(yōu)化目標(biāo)，前三個的優(yōu)化參數(shù)都是S21，用來設(shè)定濾波器的通帶和阻帶的頻率范圍及衰減情況(這里要求通帶衰減小于2 dB，阻帶衰減大于40 dB)，最后一個的優(yōu)化參數(shù)是S11，用來設(shè)定通帶內(nèi)的反射系數(shù)(這里要求小于 -20 dB)，具體數(shù)值見表I表I 優(yōu)化目標(biāo)控件的參數(shù)設(shè)置按鈕名稱優(yōu)化目標(biāo)1優(yōu)化目標(biāo)2優(yōu)化目標(biāo)3優(yōu)化目標(biāo)4ExprdB(S(2,1)dB(S(2,1)dB(S(2,1)dB(S(1,1)SimInstanceN

7、ameSP1SP1SP1SP1Weight100100100100Min-2保留保留保留Max保留404040RangVarFreqFreqFreqFreqRangMin2.99GHz2.7GHz3.3GHz2.99GHzRangMax3.11GHz2.8GHz3.4GHz3.11GHz(10) 進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后最好先把原理圖存儲一下，然后就可以進行參數(shù)優(yōu)化了。點擊工具欄中的Simulate按鈕就開始進行優(yōu)化仿真了。在一次優(yōu)化完成后，要點擊原理圖窗口菜單中的Simulate -> Update Optimization Values保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變

8、量的當(dāng)前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存。經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化后，CurrentEf的值為0，即為優(yōu)化結(jié)束。優(yōu)化過程中根據(jù)情況可能會對優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量的取值范圍、優(yōu)化方法及次數(shù)進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。(11) 觀察仿真曲線優(yōu)化完成后必須關(guān)掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。點擊工具欄中的Simulate按鈕進行仿真，仿真結(jié)束后會出現(xiàn)圖形顯示窗口。點擊圖形顯示窗口左側(cè)工具欄中的生成方框圖按鈕，放置一個方框到圖形窗口中，這時會彈出一個設(shè)置窗口，在窗口左側(cè)的列表里選擇S(1,1)即S11參數(shù)，點擊Add按鈕會彈出一個窗口設(shè)置單位(這里選擇dB)，點擊兩次OK后，圖形窗口中顯示出S11隨頻率變化的曲線。用同樣的方法依次加入

9、S22，S21，S12的曲線，由于濾波器的對稱結(jié)構(gòu)，S11與S22，以及S21與S12曲線是相同的。為了準(zhǔn)確讀出曲線上的值，可以添加Marker，方法是點擊菜單中的Marker -> New，出現(xiàn)Instert Marker的窗口，接著點擊要添加Marker的曲線，曲線上出現(xiàn)一個倒三角標(biāo)志，點擊拖動此標(biāo)志，可以看到曲線上各點的數(shù)值。觀察S11(S22)和S21 (S12)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)達到指標(biāo)要求，就可以進行版圖的仿真了。仿真曲線如下圖所示。(12) 版圖的仿真 用于生成版圖的原理圖如圖5所示。圖5 用于生成版圖的原理圖首

10、先把原理圖中用于S參數(shù)仿真的兩個Term以及接地去掉，不讓他們出現(xiàn)在生成的原理圖中。然后點擊菜單中的Layout -> Generate/Update Layout，彈出一個設(shè)置窗口，直接點OK，又出現(xiàn)一個窗口，再點OK，完成版圖的生成。 生成的版圖如圖6所示。圖6 生成的版圖為了進行S參數(shù)仿真還要在濾波器兩側(cè)添加兩個端口，做法是點擊工具欄上的Port按鈕，彈出port設(shè)置窗口，點擊OK關(guān)閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別點擊加上兩個port，將版圖放大后可以看到兩個端口(見下圖中的P1、P2)。點擊Momentum -> Simulation -> S-parameter彈出仿真設(shè)置窗口，該窗口右側(cè)的Sweep Type選擇Adaptive，起止頻率設(shè)為與原理圖中相同，采樣點數(shù)限制取10 (因為仿真很慢，所以點數(shù)不要取得太多)。然后點擊Update按鈕，將設(shè)置填入左側(cè)列表中，點擊Simulate按鈕開始進行仿真。仿真運算要進行數(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S21在通帶內(nèi)衰減小于2.5dB，起伏小于1dB，阻帶衰減大于40 dB。S11在通帶內(nèi)最好小于-15dB。(13) 觀察版圖仿真的曲線如果版圖仿真得到的曲線不滿