ADS2008巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。ADS2008巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)巴特沃斯低通濾波器設(shè)計(jì)摘要：本論文主要介紹了仿真軟件ADS的運(yùn)用，然后根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)理論模型，運(yùn)用仿真軟件ADS進(jìn)行低通濾波器的設(shè)計(jì)仿真，主要介紹了巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)方法，并將集總參數(shù)轉(zhuǎn)換為分布參數(shù)Richards變換,利用雙口網(wǎng)絡(luò)演變而來(lái)的單位元件矩陣,論述了傳輸線結(jié)構(gòu)之間的相互變換規(guī)則，即Kuroda規(guī)則。以及微帶線濾波器的設(shè)計(jì)，同時(shí)借助ADS軟件對(duì)所涉及的低通濾波器進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，最終得到比較理想的濾波器。關(guān)鍵字：低通濾波器,巴特沃斯,微帶濾波器

2、,ADS.目錄HYPERLINKl_Toc123641緒論P(yáng)AGEREF_Toc123641HYPERLINKl_Toc108781.1巴特沃斯濾波器的概述PAGEREF_Toc108781HYPERLINKl_Toc305281.2課程設(shè)計(jì)的意義PAGEREF_Toc305281HYPERLINKl_Toc99121.3課程設(shè)計(jì)的目的PAGEREF_Toc99121HYPERLINKl_Toc15342設(shè)計(jì)方案2HYPERLINKl_Toc55942.1設(shè)計(jì)要求2HYPERLINKl_Toc109102.2方案選擇2HYPERLINKl_Toc286552.3Richards變換原理2HYP

3、ERLINKl_Toc20602.4Kuroda恒等式變換3HYPERLINKl_Toc53223濾波器的設(shè)計(jì)與仿真4HYPERLINKl_Toc145123.1設(shè)計(jì)過(guò)程4HYPERLINKl_Toc150423.1.1創(chuàng)建工程4HYPERLINKl_Toc260533.1.2濾波器設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ叩氖褂?HYPERLINKl_Toc45993.1.3集總參數(shù)濾波器轉(zhuǎn)換為微帶濾波器5HYPERLINKl_Toc221083.1.4kuroda等效后仿真8HYPERLINKl_Toc75693.2原理圖優(yōu)化與仿真9HYPERLINKl_Toc123893.3版圖生成與仿真PAGEREF_Toc123

4、8910HYPERLINKl_Toc230274總結(jié)PAGEREF_Toc2302713HYPERLINKl_Toc12786參考文獻(xiàn)PAGEREF_Toc12786141緒論1.1巴特沃斯濾波器的概述巴特沃斯濾波器是HYPERLINK/view/8553898.htmt_blank電子濾波器的一種。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶的頻率響應(yīng)HYPERLINK/view/400.htmt_blank曲線最平滑。這種濾波器最先由HYPERLINK/view/3565.htmt_blank英國(guó)工程師斯替芬巴特沃斯（StephenButterworth）在1930年發(fā)表在英國(guó)無(wú)線電工程期刊的一篇論文中提

5、出的。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是HYPERLINK/view/141526.htmt_blank通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。在HYPERLINK/view/29246.htmt_blank振幅的對(duì)數(shù)對(duì)角頻率的HYPERLINK/view/1935795.htmt_blank波特圖上,從某一邊界角頻率開(kāi)始,振幅隨著角頻率的增加而逐步減少,趨向負(fù)無(wú)窮大。一階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻6分貝，每十倍頻20分貝。二階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻12分貝、三階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻18分貝、如此類推。巴特沃斯濾波器的振幅對(duì)角頻率單調(diào)下降，并且也是唯一

6、的無(wú)論階數(shù)，振幅對(duì)角HYPERLINK/view/2434449.htmt_blank頻率曲線都保持同樣的形狀的濾波器。只不過(guò)HYPERLINK/view/141368.htmt_blank濾波器階數(shù)越高，在阻頻帶振幅衰減速度越快。其他濾波器高階的振幅對(duì)角頻率圖和低級(jí)數(shù)的振幅對(duì)角頻率有不同的形狀。根據(jù)電路理論，濾波器的種類可分為低通、高通、帶通、及帶阻四種而歸一化低通濾波器是一個(gè)基本的結(jié)構(gòu)單元,所有四類濾波器都可由此導(dǎo)出。對(duì)于頻率較低的射頻濾波器可采用分立元件實(shí)現(xiàn),頻率的提高意味著波長(zhǎng)的減小,而工作頻率超過(guò)500MHz時(shí),由于工作波長(zhǎng)與濾波器的物理尺寸相近,電阻、電容和電感這些元件的電響應(yīng)將開(kāi)

7、始偏離它們的理想頻率特性,從而造成了多方面的損耗并使電路性能嚴(yán)重惡化。因此,實(shí)際濾波器的設(shè)計(jì)必須將集總參數(shù)元件變換為分布參數(shù)元件。1.2課程設(shè)計(jì)的意義微波濾波器是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，它通過(guò)在濾波器通帶頻率內(nèi)提供信號(hào)傳輸并在阻帶內(nèi)提供衰減的特性，用以控制微波系統(tǒng)中某處的頻率響應(yīng)。典型的頻率響應(yīng)包括低通、高通、帶通和帶阻特性。微波濾波器實(shí)際上已經(jīng)應(yīng)用與各類型的微波通信、雷達(dá)測(cè)試或測(cè)量系統(tǒng)中。微波濾波器的理論和實(shí)踐始于第二次世界大戰(zhàn)前幾年。濾波器設(shè)計(jì)的鏡像參量法是20世紀(jì)30年代后期開(kāi)發(fā)的。使用鏡像參量法設(shè)計(jì)的濾波器，由較簡(jiǎn)單的二端口濾波器節(jié)的級(jí)聯(lián)構(gòu)成，以便提供所希望的截止頻率和衰減特性，但不能提供在整

8、個(gè)工作范圍內(nèi)頻率響應(yīng)的具體性質(zhì)。所以用鏡像參量法設(shè)計(jì)濾波器雖然程序是相對(duì)簡(jiǎn)單的，但為了達(dá)到所希望的結(jié)果，常常必須迭代多次。一種更現(xiàn)代的過(guò)程成為插入損耗法，該方法采用網(wǎng)絡(luò)綜合技術(shù)設(shè)計(jì)出有完整的特定頻率響應(yīng)的濾波器。AgilentADS(AdvancedDesignSystem)是在HPEESOF系列EDA軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善起來(lái)的基于矩量法仿真的大型綜合設(shè)計(jì)，是美國(guó)安捷倫公司開(kāi)發(fā)的大型綜合設(shè)計(jì)軟件，其強(qiáng)大的仿真設(shè)計(jì)大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)效率，使之成為設(shè)計(jì)人員的有效工具。該實(shí)驗(yàn)采用插入損耗法，使用ADS軟件中傳輸線分析綜合工具計(jì)算微帶線的寬度和長(zhǎng)度，最終實(shí)現(xiàn)濾波器的綜合和仿真。通過(guò)這種具有普遍性的

9、實(shí)驗(yàn)方法的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，可把書(shū)本的理論知識(shí)與工程實(shí)際相結(jié)合，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，對(duì)培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力、觀察發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力以及培養(yǎng)學(xué)生工程研究能力具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。1.3課程設(shè)計(jì)的目的1了解微波濾波電路的原理及設(shè)計(jì)方法。2學(xué)習(xí)使用ADS軟件進(jìn)行微波電路的設(shè)計(jì)，優(yōu)化，仿真。3掌握微帶濾波器的制作及調(diào)試方法。2設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃斯低通濾波器，使之滿足下列技術(shù)指標(biāo)。輸入、輸出阻抗為50歐姆;截止頻率為3Ghz；3.9Ghz時(shí)損耗不小于15dB。方案選擇利用ADS自帶的集總方式得出巴特沃斯低通濾波器的階數(shù)，之后直接利用集總生成巴特沃斯低通濾波器，然后用Richards變換和k

10、uroda規(guī)則轉(zhuǎn)換把巴特沃斯低通濾波器中的電感、電容轉(zhuǎn)換為微帶線。2.3Richards變換原理為了將集總參數(shù)元件變換成分布參數(shù)元件，Richards提出了一種獨(dú)特的變換，該變換可將一段開(kāi)路（短路）傳輸線等效于分布的HYPERLINK/info/4889.html電感（HYPERLINK/info/14.html電容）元件。由傳輸線理論知，一段特性阻抗為Z0的終端短路傳輸線具有純電抗性輸入阻抗：其中為電長(zhǎng)度，為了使它與頻率的關(guān)系更加明顯，它也可以用以下方法來(lái)表式。若傳輸線的長(zhǎng)度為08，而相應(yīng)的工作頻率為，則電長(zhǎng)度可表示：其中為傳播常數(shù)，vp為相速度，為歸一化頻率，將（3-3）式代人（3-2）式

11、，則電感性集總參數(shù)元件可以用一段短路傳輸線來(lái)實(shí)現(xiàn)：同理，電容性集總參數(shù)元件也可以用一段開(kāi)路傳輸線來(lái)實(shí)現(xiàn)：利用Richards變換可以用特性阻抗Z0L的一段短路傳輸線替代集總參數(shù)電感，也可以用特性阻抗Z01C的一段開(kāi)路傳輸線替代集總參數(shù)電容。由于傳輸線的長(zhǎng)度選為08（也可選為04），變換過(guò)程將集總參數(shù)元件在0，）區(qū)間的頻率響應(yīng)映射到0，4）區(qū)間，以及正切函數(shù)的周期性，使頻率響應(yīng)被限制在0，2）區(qū)間。在將集總參數(shù)元件轉(zhuǎn)變成傳輸線段時(shí)，要分解傳輸線元件，也就是要插入單位元件（UE）來(lái)得到可以實(shí)現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)。單位元件的電長(zhǎng)度為：特性阻抗為ZUF。單位元件可以看成是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)二端口理論，對(duì)于長(zhǎng)

12、度為，阻抗特性為ZUE，傳播常數(shù)為，其HYPERLINK/stock-ic/ABCD.htmlABCD參量表達(dá)式為：(3-6)2.4Kuroda恒等式變換使用Richards變換后得到的濾波器實(shí)現(xiàn)方式需要使用遠(yuǎn)端短路的串聯(lián)短截線。如果不用同軸傳輸線這類輔助手段，要在印制電路板上實(shí)現(xiàn)這些短路短截線是極其困難的。Kuroda恒等式允許將串聯(lián)短截線變換為并聯(lián)短截線，反之亦然。這是一個(gè)精確的變換，而不是一個(gè)逼近。這個(gè)變換需要引入一個(gè)被稱為“單位元件(UE)”的構(gòu)建模塊。UE是一段在f1處長(zhǎng)度為，歸一化特征阻抗為1的傳輸線。(a)和(b)演示了如何應(yīng)用Kuroda恒等式完成串聯(lián)短截線和并聯(lián)短截線的互換。

13、圖2.2(a)串聯(lián)短截線到并聯(lián)短截線圖2.3(b)并聯(lián)短截線到串聯(lián)短截線3濾波器的設(shè)計(jì)與仿真3.1設(shè)計(jì)過(guò)程3.1.1創(chuàng)建工程運(yùn)行并打開(kāi)ADS主窗口，然后創(chuàng)建一個(gè)濾波器工程，命名為“Butterworth_Prj”選擇長(zhǎng)度單位為millimeter。3.1.2濾波器設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ叩氖褂茫?）打開(kāi)“Butterworth_Prj”工程，建一名為“l(fā)owpass”原理圖，執(zhí)行菜單【DesignGuide】【Filter】，選擇“FilterControl”項(xiàng)，彈出對(duì)話框。（2）單擊圖標(biāo)，在“FilterDG-All”面板中選擇一個(gè)雙端口低通濾波器模型，回到濾波器設(shè)計(jì)向?qū)е?，打開(kāi)“FilterAssis

14、tant”標(biāo)簽頁(yè)，濾波器類型選“MaximallyFlat”,即最平坦響應(yīng)，也稱巴特沃斯響應(yīng)。在設(shè)計(jì)向?qū)е休斎霝V波器參數(shù)如圖；FirstElement選為“Series”，即第一個(gè)元器件是串聯(lián)元器件，然后單擊【Redraw】就可看到切比雪夫響應(yīng)曲線，如圖3.1所示。圖3.1巴特沃斯相應(yīng)曲線（3）返回原理圖，雙擊濾波器元器件查看參數(shù)，屬性選“SetAll”單擊【Apply】，然后【OK】，此時(shí)濾波器所有參數(shù)都顯示出來(lái)。圖3.2濾波器模型及其參數(shù)（4）選擇濾波器模型，單擊圖標(biāo)，得到濾波器的子電路，如圖3.3所示。圖3.3濾波器元器件的子電路（5）設(shè)置好后在濾波器設(shè)計(jì)向?qū)е羞x擇“simulation

15、Assistant”標(biāo)簽頁(yè)，“Start”為0，“Stop”為5GHz，“Step”為20MHz。（6）單擊【simulate】，開(kāi)始仿真，仿真結(jié)果如圖3.4所示。圖3.4生成的巴特沃斯濾波器的響應(yīng)曲線3.1.3集總參數(shù)濾波器轉(zhuǎn)換為微帶濾波器集總元件如電感和電容等，只是對(duì)有限的數(shù)值范圍有效，在微波頻率實(shí)現(xiàn)很困難，而且必須用分布元件來(lái)近似，在微波頻率，元件之間的距離是不能忽略的。這里需要采用Richards變換，將集總元件變換到傳輸線；同時(shí)采用Kuroda恒等式，以利用傳輸線段來(lái)分隔濾波器元件。由于這些附加的傳輸線段并不影響濾波器響應(yīng)，這種類似的設(shè)計(jì)稱之為冗余濾波器綜合。設(shè)計(jì)濾波器時(shí)可吸收這些線

16、段的優(yōu)點(diǎn)，以便改善濾波器的響應(yīng)。（1）單擊濾波器設(shè)計(jì)向?qū)е校蜷_(kāi)濾波器轉(zhuǎn)換助手對(duì)話框，如圖3.5所示。選中“LCtoTLine”選項(xiàng)，單擊集總參數(shù)器件中串聯(lián)電感，在電感轉(zhuǎn)換頁(yè)面中單擊電感轉(zhuǎn)化按鈕，添加電感L1、L2，單擊【Transform】把電感轉(zhuǎn)化為短路串聯(lián)傳輸線。圖3.5轉(zhuǎn)化助手對(duì)話框（2）單擊返回到濾波器轉(zhuǎn)換助手對(duì)話框，單擊并聯(lián)電容，后單擊圖標(biāo)，添加電容C1，單擊【Transform】把電容轉(zhuǎn)化為開(kāi)路并聯(lián)傳輸線。如圖3.6所示。轉(zhuǎn)換后電路如圖3.7所示。圖3.6電容轉(zhuǎn)換頁(yè)面圖3.7LC轉(zhuǎn)換為短截線的電路圖（3）單擊返回到濾波器轉(zhuǎn)換助手對(duì)話框，選中“TlinetoTline(Kuroda

17、)”選項(xiàng)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，如圖3.8所示。圖3.8Kuroda轉(zhuǎn)換步驟（4）單擊“AddTransmissionLines”，在輸入輸出端口分別添加一個(gè)元器件，選中，然后【Add】及【Transform】，轉(zhuǎn)換后得到濾波器原理圖如圖3.9所示。圖3.9Kuroda轉(zhuǎn)換后的原理圖（5）選中“LC，TLinetoMicrostrip”選項(xiàng)，設(shè)置基片厚度為30mil,基片介電常數(shù)為4.4，單擊【Transform】，如圖3.10所示。圖3.10短截線到微帶線轉(zhuǎn)換步驟（6）選中濾波器元器件，單擊，得到子電路，如圖3.11所示。單擊可返回原理圖窗口。圖3.11轉(zhuǎn)化為微帶線后的電路圖kuroda等效后仿真完成微帶

18、濾波器設(shè)計(jì)后，需對(duì)該濾波器進(jìn)行仿真，以驗(yàn)其性能。在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇“simulation-S_Param”元器件面板列表，添加兩個(gè)終端負(fù)載及S參量仿真控制器到原理圖中，完成設(shè)置的原理圖圖3.12所示。圖3.12濾波器原理圖仿真設(shè)置2）單擊工具欄中執(zhí)行仿真，結(jié)束后放置兩個(gè)Marker點(diǎn)，用來(lái)查看頻率響應(yīng)參數(shù)，如圖3.13所示。圖3.13微帶線濾波器仿真結(jié)果上面結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)濾波器在3.9GH處的插入損耗為-25.074dB，基本滿足設(shè)計(jì)要求。因此，通過(guò)Kuroda轉(zhuǎn)換后就可以得到想要的濾波器了。3.2原理圖優(yōu)化與仿真曲線不滿足技術(shù)指標(biāo)，需要調(diào)整原理圖，采用優(yōu)化方法調(diào)整原理圖。在優(yōu)化與仿真之前，

19、首先設(shè)置變量，然后再添加優(yōu)化控件和目標(biāo)控件，當(dāng)設(shè)置完優(yōu)化控件和目標(biāo)控件后，就可以仿真了1.在原理圖中添加元件VAR并對(duì)變量x1，x2，x3進(jìn)行設(shè)置，如圖3.14。圖3.14變量控件2.添加優(yōu)化控件【Optim/Stat/Yield/DOE并設(shè)置，添加目標(biāo)控件Goal并設(shè)置。圖3.12原理圖中的優(yōu)化控件和目標(biāo)控件，原理圖變?yōu)?，如圖3.153.仿真，結(jié)果如圖3.16所示：圖3.16巴特沃斯濾波器衰減曲線3.3版圖生成與仿真1.在原理圖上去掉濾波器兩個(gè)端口的Term、“接地”和“優(yōu)化控件。2.選擇原理圖上的【Layout】菜單Generate/UpdateLayout】，彈出【Generate/Up

20、dateLayout】設(shè)置窗口，單機(jī)窗口上【OK】默認(rèn)設(shè)置。然后確認(rèn)，完成版圖生成。版圖生成狀態(tài)窗口如圖3.15所示：圖3.17生成版圖狀態(tài)窗口3.選擇版圖工具欄上的端口Port，版圖視窗會(huì)自動(dòng)打開(kāi),兩次插入版圖，輸入端口設(shè)置為端口1，輸出端口設(shè)置為端口2。如圖3.18所示：圖3.18濾波器原理圖生成的版圖4.設(shè)置微帶線參數(shù)，如圖3.19所示：圖3.19微帶參數(shù)設(shè)置5.版圖仿真選擇版圖視窗中的【Momentum菜單SimulationS-Paramete命令，打開(kāi)仿真控制【SimulationControl窗口。在仿真控制【SimulationControl窗口設(shè)置如下，如圖3.20所示：圖3.20版圖仿真控制窗口6.單機(jī)仿真控制窗口中的【Simulation按鈕，開(kāi)始仿真。在數(shù)據(jù)顯示窗口中，用矩形圖形表示S21曲線，如