基于ADS的微帶線帶通濾波器設(shè)計

1、 項目名稱： 基于ADS優(yōu)化的微帶帶通濾波器設(shè)計 1、 實驗?zāi)康?1) 了解低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器等濾波器原理(2) 利用ADS2008軟件設(shè)計，以切比雪夫濾波器為原型，設(shè)計一種微帶線帶通濾波器。2、 實驗設(shè)備(1) PC機一臺；(2) ADS2008軟件；3、 實驗內(nèi)容和要求(1) 設(shè)計一個微帶線帶通濾波器，以切比雪夫低通濾波器為原型；(2) 中心頻率：2G+學號*50MHz；（2G+10*50MHz=2.5GHz）(3) 相對帶寬：8；（2.5GHz*8=200MHz）4、 實驗原理1.濾波器原理濾波器的基礎(chǔ)是諧振電路,它是一個二端口網(wǎng)絡(luò),對通帶內(nèi)頻率信號呈現(xiàn)匹配傳輸,對阻帶頻

2、率信號失配而進行發(fā)射衰減,從而實現(xiàn)信號頻譜過濾功能。典型的頻率響應(yīng)包括低通、高通、帶通和帶阻特性。鏡像參量法和插入損耗法是設(shè)計集總元件濾波器常用的方法。對于微波應(yīng)用,這種設(shè)計通常必須變更到由傳輸線段組成的分布元件。Richard變換和Kuroda恒等關(guān)系提供了這個手段。2.微帶線微帶線(microstrip1ine)是現(xiàn)在混合微波集成電路和單片微波集成電路使用最頻繁的一種平面?zhèn)鬏斁€。它可用光科程序制作,且容易與其他無源微波電路和有源微波器件集成,從而實現(xiàn)微波部件和系統(tǒng)的集成化。微帶線是在金屬化厚度為h的介質(zhì)基片的一面制作寬度為W，厚度為t的導體帶,另一面作接地金屬平板而構(gòu)成的。3.耦合微帶線當

3、兩個無屏蔽的傳輸線緊靠一起時,由于傳輸線之間電磁場的相互作用,在傳輸線之間會有功率耦合,這種傳輸線稱為耦合傳輸線。耦合微帶傳輸線由靠得很近的3個導體構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)介質(zhì)厚度為d,介質(zhì)相對介電常數(shù)為,在介質(zhì)的下面為公共導體接地板,在介質(zhì)的上面為2個寬度為W、相距為S的中心導體帶。5、 實驗步驟與結(jié)果1.設(shè)定濾波器指標中心頻率：2.5GHz通帶帶寬：200MHz（2.42.6GHz）輸入輸出的阻抗：50插入損耗：小于2dB阻帶衰減：在距離中心頻率300MHz處的衰減大于50dB相對帶寬：8（表示信號帶寬為0.2GHz）帶內(nèi)輸入輸出端口反射系數(shù)：小于-15dB2.濾波器選用與微帶線的計算0.5dB切比

4、雪夫濾波器，5階。系數(shù)：g0=g6=1；g1=g5=1.7058；g2=g4=1.2296；g3=2.5048微帶線的奇偶模特性阻抗計算結(jié)果如下：Z0=50歐姆 表1微帶線的奇偶模特性阻抗i,i+1Ji,i+1Z0* Ji,i+1Z0e|i,i+1Z0o|i,i+10,1/5,65.4284e-30.271467.252940.11291,2/4,51.7354e-30.086854.716746.03672,3/3,41.4321e-30.071653.836346.6763借助ADS軟件的LineCalc計算微帶線的W、S、L：圖1 LineCalc計算微帶線表2微帶線的奇偶模特性阻抗和W

5、、S、L級數(shù)Z0eZ0o寬度W/mm間隙S/mm長度L/mm0/567.252940.11292.42600.322321.94241/454.716746.03672.86141.555021.57182/353.836346.67632.88231.883021.56383.原理圖繪制和仿真3.1原理圖繪制元件：2個Term，2個接地，1個MSUB，2個MLIN，6個Mcfil，1個SP，連接如圖2。圖2 原始原理圖（優(yōu)化之前）各元件參數(shù)設(shè)置如下：MSUB：微帶線基板；Term：50歐姆；VAR：微帶線參數(shù)變量3.2原理圖仿真設(shè)置仿真參數(shù)：（線性掃描，范圍23Ghz，步進10MHz）仿真結(jié)

6、果如下：注釋：從圖3可以看出，m3和m1為指標“在距離中心頻率300MHz處的衰減”指標分別為-53dB和-66dB，滿足指標要求。由m2和m4可得帶寬為190MHz，小于指標200MHz，中心頻率向左偏移失真。圖3 插入損耗S（2，1）注釋：帶通內(nèi)最大回波損耗約為-8dB，最小約為-27dB。圖4 回波損耗S（1，1）4.原理圖優(yōu)化與仿真4.1原理圖優(yōu)化選擇優(yōu)化目標控件GOAL，設(shè)置參數(shù)如下圖5；添加優(yōu)化控件OPTM，設(shè)置參數(shù)如圖6。GOAL:三個插入損耗S(2,1)和一個回波損耗S(1,1)，令通帶內(nèi)衰減小于2dB，端口反射小于-15dB。在距離中心頻率300Mhz處衰減大于50dB。OP

7、TM:首選Random模式，其次是Hybrid，最后是Gradient。多次優(yōu)化，改變方式和次數(shù)。圖5 優(yōu)化目標參數(shù)設(shè)置圖6 優(yōu)化控件參數(shù)設(shè)置4.2優(yōu)化后仿真工具欄【simulate】-【simulate】，優(yōu)化過程中系統(tǒng)會自動打開一個狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化，結(jié)果，其中“CurrentEF”表示與優(yōu)化目標的偏差，當它的值減小到0的時候，表示達到了優(yōu)化目標，如圖7所示，多次優(yōu)化后，將接近數(shù)據(jù)的優(yōu)化結(jié)果進行保存【simulate】-Update optimization values。圖7 優(yōu)化過程狀態(tài)窗口 圖8 優(yōu)化后的原理圖圖9 優(yōu)化后的S（2，1）曲線 圖10優(yōu)化后的S（1，1）曲線由圖9和圖10

8、可知，優(yōu)化后的結(jié)果比優(yōu)化前的數(shù)據(jù)都有所提高，仿真后的各項指標基本都能達到設(shè)計要求（中心頻率：2.5GHz；通帶帶寬：200MHz（2.42.6GHz）；插入損耗：小于2dB；阻帶衰減：在距離中心頻率300MHz處的衰減大于50dB；帶內(nèi)輸入輸出端口反射系數(shù)：小于-15dB）。濾波器性能良好，說明優(yōu)化成功，設(shè)計方法正確。5.版圖生成和仿真5.1版圖生成方法：去掉Term、接地、優(yōu)化控件optm，選擇菜單Layout-Generate/Update Layout圖11 微帶線版圖生成5.2版圖仿真仿真設(shè)置：采樣頻率范圍：23GHz; 采樣點數(shù)：10個點。圖12 微帶線版圖仿真結(jié)果6、 分析總結(jié)本次設(shè)計在設(shè)計初期要將切比雪夫帶通濾波器的低通介數(shù)計算準確,這樣才能確定正確的元件值為后邊的計算做好準備工作:濾波器主要依靠平行耦合微帶線設(shè)計,所以微帶線的奇偶模特性阻抗在計算時要仔細不能出錯,要將耦合微帶線的寬度、間隙、長度正確的跟耦合級聯(lián)對應(yīng)。微波帶通濾波器的傳統(tǒng)設(shè)計方法大多是通過圖表查詢和曲線擬