Ansoft-Designer中濾波器的設(shè)計(jì)解讀課件

AnsoftDesigner

微帶低通濾波器設(shè)計(jì)

武漢凡谷電子技術(shù)有限公司2023/10/61AnsoftDesigner

微帶低說(shuō)明Asoftdesigner中的濾波器設(shè)計(jì)功能可以實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻濾波器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方式可以有：微帶線、同軸線、理想集總參數(shù)電路、理想分布參數(shù)電路、含有單位元件的電路等形式。逼近函數(shù)可以選用車比雪夫函數(shù)、貝賽爾函數(shù)、橢圓函數(shù)等。這里將要介紹的是用車比雪夫多項(xiàng)式逼近的微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)，其它濾波器的設(shè)計(jì)方法可依此得出。

2023/10/62說(shuō)明Asoftdesigner中的濾波器設(shè)計(jì)功能創(chuàng)建項(xiàng)目在file>saveas中把該項(xiàng)目另存為ms_lp點(diǎn)擊該圖標(biāo)，新建一個(gè)項(xiàng)目2023/10/63創(chuàng)建項(xiàng)目在file>saveas中把該項(xiàng)目另存為m打開(kāi)濾波器設(shè)計(jì)工具點(diǎn)擊該圖標(biāo)，或者從Project>insertfilterdesign…進(jìn)入濾波器設(shè)計(jì)窗口設(shè)計(jì)完成后將直接在項(xiàng)目下建立一個(gè)頂端文件，該文件不屬于任何的父文件，為獨(dú)立設(shè)計(jì)。2023/10/64打開(kāi)濾波器設(shè)計(jì)工具點(diǎn)擊該圖標(biāo)，或者從設(shè)計(jì)完成后將直接在項(xiàng)目下濾波器設(shè)計(jì)屬性（1）Passband中可選擇濾波器通帶類型。Topology中可選則濾波器的布局方式，對(duì)于低通濾波器其布局方式有：理想集總、理想分布、含有單位元件的集總、含有單位元件的分布、分支線傳輸線結(jié)構(gòu)、高低阻抗線以及寬帶低通結(jié)構(gòu)。我們選用高低阻抗線設(shè)計(jì)（葡萄串或者糖葫蘆式）Approximation中包含了可選用逼近函數(shù)，通常我們選用車比雪夫多項(xiàng)式（Chebysheve）。在Prorotype中提供了兩種設(shè)計(jì)方式：固定傳輸線的特性阻抗，設(shè)計(jì)傳輸線長(zhǎng)度；固定傳輸線電長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)其特性阻抗。在實(shí)際設(shè)計(jì)中常常是固定了傳輸線的特性阻抗進(jìn)行設(shè)計(jì)。Technology中可以選擇濾波器的實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)于我們的設(shè)計(jì)，有下列方式可供選擇：理想傳輸線、帶狀線、微帶線、懸置微帶線、矩形棒、中心導(dǎo)帶為圓棒的帶狀線和同軸線。點(diǎn)擊Next2023/10/65濾波器設(shè)計(jì)屬性（1）Passband中可選擇濾波器通帶類型。濾波器設(shè)計(jì)屬性（2）點(diǎn)擊該圖標(biāo)查看濾波器平面圖點(diǎn)擊該圖標(biāo)查看說(shuō)明文檔點(diǎn)擊該圖標(biāo)查看原理圖點(diǎn)擊該鍵打開(kāi)軟件自帶的設(shè)計(jì)例子點(diǎn)擊該鍵打開(kāi)以前的設(shè)計(jì)點(diǎn)擊該鍵改變?cè)O(shè)計(jì)中用到的單位在該選項(xiàng)中改變?cè)O(shè)計(jì)初始值以及設(shè)計(jì)目標(biāo)在這里可以設(shè)置設(shè)計(jì)中的Q值在設(shè)計(jì)的時(shí)候往往不需要改變默認(rèn)值，而直接進(jìn)行設(shè)計(jì)點(diǎn)擊NEXT2023/10/66濾波器設(shè)計(jì)屬性（2）點(diǎn)擊該圖標(biāo)查看濾波器平面圖點(diǎn)擊該圖標(biāo)查看濾波器規(guī)格設(shè)置*如圖輸入規(guī)格數(shù)據(jù)。在窗口的右邊部分可以查看該數(shù)據(jù)的理論設(shè)計(jì)結(jié)果。*Order為濾波器節(jié)數(shù)；Ripple為理論帶內(nèi)損耗；Fp1為帶邊頻；Source/Load，Rs為源/負(fù)載的特性阻抗值（常用50ohms)；Elect.Lng為電長(zhǎng)度；High/LowZo為高/低阻抗線特性阻抗。*注意選擇Optimizepassbandcorner該項(xiàng)確保設(shè)計(jì)結(jié)果最接近所需要的結(jié)果。*設(shè)計(jì)結(jié)果并不能總是完全符合設(shè)置的要求，比如帶邊頻不能正好是在2Ghz上，這就需要用戶在設(shè)計(jì)中調(diào)整，或者重新設(shè)定f1。點(diǎn)擊NEXT2023/10/67濾波器規(guī)格設(shè)置*如圖輸入規(guī)格數(shù)據(jù)。在窗口的右邊部分可以查看該結(jié)構(gòu)屬性設(shè)置在結(jié)構(gòu)屬性設(shè)置窗口中，可以設(shè)定所選用的結(jié)構(gòu)（這里是微帶線）參數(shù)，這些參數(shù)包括：介質(zhì)板的介電常數(shù)、介質(zhì)板厚度、金屬導(dǎo)帶厚度、濾波器腔體高度以及前面設(shè)置的帶邊頻*如圖輸入數(shù)據(jù)，可見(jiàn)在VARIABLES中W1＝0.5004mm；W2＝10.03mm

這是高低阻抗線的寬度，另外有一項(xiàng)W3＝0.3878mm為高阻線寬度，就是說(shuō)在所設(shè)計(jì)的濾波器中有兩種寬度的高阻線。*當(dāng)結(jié)構(gòu)屬性改變時(shí)，高低阻抗線的寬度也將隨之改變，若要得到滿足要求的寬度，可在前一步的規(guī)格設(shè)置中重新設(shè)置高低阻抗線的特性阻抗，直到滿足要求為止。點(diǎn)擊Next2023/10/68結(jié)構(gòu)屬性設(shè)置在結(jié)構(gòu)屬性設(shè)置窗口中，可以設(shè)定所選用的結(jié)構(gòu)（這里設(shè)置完成設(shè)置完成后將出現(xiàn)此窗口，在窗口的左部分有兩排圖標(biāo)，其中左邊一排分別是：原理圖、波形圖、平面視圖、文本說(shuō)明、元件特性，元件參數(shù)（長(zhǎng)度）、耦合線參數(shù)（本例中沒(méi)有耦合線）。查看原理圖時(shí)，右邊豎排圖標(biāo)才有意義，其作用分別為：在原理圖上不顯示任何數(shù)據(jù)、顯示參數(shù)類型、顯示參數(shù)數(shù)值、顯示數(shù)值以及單位、同時(shí)顯示參數(shù)類型數(shù)值和單位。點(diǎn)擊“完成”2023/10/69設(shè)置完成設(shè)置完成后將出現(xiàn)此窗口，在窗口的左部分有兩排圖把原理圖轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)圖點(diǎn)擊該圖標(biāo)把原理圖轉(zhuǎn)換成物理參數(shù)電路可從filter>export>physicalcircuit進(jìn)入點(diǎn)擊該圖標(biāo)把原理圖轉(zhuǎn)換成理想?yún)?shù)電路可從filter>export>physicalcircuit進(jìn)入

我們這里把原理圖轉(zhuǎn)換成物理電路注意，有些原理圖是不能轉(zhuǎn)換成物理模型的，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意。這種情況可能發(fā)生于：1設(shè)置錯(cuò)誤。在設(shè)定高/低阻抗值時(shí)，本軟件對(duì)于一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)有高阻上限和低阻下限，超過(guò)限制的設(shè)置將出現(xiàn)錯(cuò)誤2軟件本身不支持該結(jié)構(gòu)的物理模型。這是無(wú)法根改的，對(duì)于這些模型用戶只能得到其理想結(jié)構(gòu)。這時(shí)候物理模型圖標(biāo)變?yōu)榛疑?023/10/610把原理圖轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)圖點(diǎn)擊該圖標(biāo)把原理圖轉(zhuǎn)換成物理參數(shù)電路點(diǎn)擊*錯(cuò)誤設(shè)置示例

錯(cuò)誤提示欄在這里我們把高阻線的阻抗值設(shè)為250ohms則在結(jié)構(gòu)設(shè)置窗口中將出現(xiàn)錯(cuò)誤提示，因?yàn)榇藭r(shí)的高阻線已經(jīng)超出了該結(jié)構(gòu)的上限。此時(shí)VARIABLES中顯示的變量數(shù)值是不準(zhǔn)確的。2023/10/611*錯(cuò)誤設(shè)置示例錯(cuò)誤提示欄在這里我們把高阻線調(diào)整電路（1）右鍵點(diǎn)擊項(xiàng)目窗口中的電路圖標(biāo)，在下拉列表中選擇Rename，把電路重命名為ms_lp。點(diǎn)擊該圖標(biāo)，將顯示電路的平面版圖請(qǐng)隨時(shí)保存文件2023/10/612調(diào)整電路（1）右鍵點(diǎn)擊項(xiàng)目窗口中的電路圖標(biāo)，在下拉列表調(diào)整電路（2）可見(jiàn)所得到的物理結(jié)構(gòu)并不是我們實(shí)際設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)，因此我們要對(duì)版圖進(jìn)行調(diào)整，以符合實(shí)際的電路結(jié)構(gòu)。左鍵該圖標(biāo)切換到平面版圖模式

2023/10/613調(diào)整電路（2）可見(jiàn)所得到的物理結(jié)構(gòu)并不是我們實(shí)際設(shè)計(jì)中調(diào)整電路（3）我們先來(lái)看看電路中阻抗變換器的結(jié)構(gòu)。在元件屬性中點(diǎn)擊Info.的Value就可以打開(kāi)該元件的說(shuō)明這里的D在電路中為w3＝0mm我們只要把w3設(shè)為一個(gè)合適的數(shù)值，以使高阻線的位置在低阻線位置的中間就可以了，我們令w3＝4.75mm。2023/10/614調(diào)整電路（3）我們先來(lái)看看電路中阻抗變換器的結(jié)構(gòu)。在元調(diào)整電路（4）另外，我們還要在濾波器兩端各接上一段50ohms的微帶線，以保證端口匹配。如圖選中的元件。其中阻抗變換器w1＝w1，w2＝w0＝2mm，w3＝4.75mm；50ohms線的w＝w0，p＝5mm。Circuit---designproperties---localvariable設(shè)置變量的值2023/10/615調(diào)整電路（4）另外，我們還要在濾波器兩端各接上一段50調(diào)整電路（5）點(diǎn)擊該圖標(biāo)把版圖重新排列，可見(jiàn)更改后的結(jié)構(gòu)符合實(shí)際設(shè)計(jì)要求2023/10/616調(diào)整電路（5）點(diǎn)擊該圖標(biāo)把版圖重新排列，可見(jiàn)更改后的結(jié)運(yùn)算，創(chuàng)建報(bào)告（1）左鍵該圖標(biāo)進(jìn)行運(yùn)算

左鍵該圖標(biāo)繪制直角坐標(biāo)系下的曲線請(qǐng)隨時(shí)保存文件2023/10/617運(yùn)算，創(chuàng)建報(bào)告（1）左鍵該圖標(biāo)進(jìn)行運(yùn)算左鍵該圖標(biāo)繪制直角坐創(chuàng)建報(bào)告（2）選擇SParameter，在Quantity中選擇S11和S12，F(xiàn)unction選擇dB點(diǎn)擊AddTrace，Done完成。2023/10/618創(chuàng)建報(bào)告（2）選擇SParameter，在Quantity查看報(bào)告（1）曲線圖中右鍵點(diǎn)擊任意位置，在彈出的菜單中選則DataMarker對(duì)曲線進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)。2023/10/619查看報(bào)告（1）曲線圖中右鍵點(diǎn)擊任意位置，在彈出的菜單中查看報(bào)告（2）移動(dòng)指針的位置或者用鍵盤(pán)的方向鍵移動(dòng)標(biāo)點(diǎn)的位置，在需要加標(biāo)點(diǎn)的地方，點(diǎn)擊鼠標(biāo)，加入標(biāo)點(diǎn)（用鍵盤(pán)的上、下方向鍵選擇曲線）最多可加入5個(gè)標(biāo)點(diǎn)。標(biāo)點(diǎn)的數(shù)值將在曲線圖的下方顯示?？梢?jiàn)該設(shè)計(jì)的帶邊頻為2.16Ghz，同時(shí)還有該設(shè)計(jì)的帶外抑制、諧波以及回波情況。因?yàn)槲覀冊(cè)谇懊嬉呀?jīng)對(duì)電路進(jìn)行了一些修改，所得的波形與設(shè)計(jì)波形有較大偏差，帶邊頻明顯偏高。因此我們需要對(duì)電路優(yōu)化和調(diào)試。2023/10/620查看報(bào)告（2）移動(dòng)指針的位置或者用鍵盤(pán)的方向鍵移動(dòng)標(biāo)點(diǎn)查看設(shè)計(jì)參數(shù)點(diǎn)擊菜單中的circuit，選擇DesignProrerties，彈出圖中的屬性對(duì)話框。在Local對(duì)話框中，選擇Value，改變w1＝0.5mm，w2＝10mm，w4＝0.4mm以滿足結(jié)構(gòu)參數(shù)。2023/10/621查看設(shè)計(jì)參數(shù)點(diǎn)擊菜單中的circuit，選擇DesignP優(yōu)化設(shè)置（1）選擇Optimization選項(xiàng)，把p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7設(shè)為優(yōu)化變量。點(diǎn)擊“確定”2023/10/622優(yōu)化設(shè)置（1）選擇Optimization選項(xiàng)，把p1優(yōu)化設(shè)置（2）點(diǎn)擊該圖標(biāo)彈出優(yōu)化窗口

點(diǎn)擊Add添加優(yōu)化點(diǎn)擊Delete刪除選定的優(yōu)化點(diǎn)擊這里添加優(yōu)化函數(shù)點(diǎn)擊這里添加優(yōu)化范圍點(diǎn)擊這里添加優(yōu)化目標(biāo)和權(quán)重所有的需要輸入的內(nèi)容都可以在相應(yīng)欄中直接輸入。如圖設(shè)置優(yōu)化參數(shù)，點(diǎn)擊“確定”2023/10/623優(yōu)化設(shè)置（2）點(diǎn)擊該圖標(biāo)彈出優(yōu)化窗口點(diǎn)擊開(kāi)始優(yōu)化在項(xiàng)目管理窗口中右鍵點(diǎn)擊optimizationsetup1選擇Analyze，開(kāi)始優(yōu)化。請(qǐng)隨時(shí)保存文件2023/10/624開(kāi)始優(yōu)化在項(xiàng)目管理窗口中右鍵點(diǎn)擊optimizatio查看優(yōu)化結(jié)果在優(yōu)化過(guò)程中，曲線將隨之變化對(duì)比優(yōu)化前后的曲線圖，可見(jiàn)，優(yōu)化后的結(jié)果也不理想，因此，有必要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)2023/10/625查看優(yōu)化結(jié)果在優(yōu)化過(guò)程中，曲線將隨之變化對(duì)比優(yōu)化前后的曲線圖參數(shù)調(diào)節(jié)（1）在元件屬性對(duì)話框中，選中p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7作為調(diào)試變量。2023/10/626參數(shù)調(diào)節(jié)（1）在元件屬性對(duì)話框中，選中p1、p2、p參數(shù)調(diào)節(jié)（2）點(diǎn)擊該圖標(biāo)，彈出下圖所示的對(duì)話框，該對(duì)話框中列出了上一步設(shè)置為可調(diào)試調(diào)試的所有變量。調(diào)節(jié)每個(gè)變量對(duì)應(yīng)的滑塊位置或者直接在中間的數(shù)據(jù)欄中輸入數(shù)值，點(diǎn)擊對(duì)話框左部分的Tune就可以調(diào)試，調(diào)試結(jié)果將在曲線圖即時(shí)顯示。每個(gè)參量對(duì)話框中的上下數(shù)據(jù)欄里的數(shù)據(jù)分別為調(diào)試的上下限?？稍谠傩粤斜砝锔淖?，也可以在這里改變，這里改變的數(shù)值將不改變?cè)傩粤斜砝锏纳舷孪蕖?023/10/627參數(shù)調(diào)節(jié)（2）點(diǎn)擊該圖標(biāo)，彈出下圖所示的對(duì)話框，該對(duì)話調(diào)試結(jié)果調(diào)試后的參數(shù)為：P1＝3.3mm，p2＝4.1mm，p3＝12.1mm，p4＝6.2mm，p5＝12.6mm，p6＝6.7mm，p7＝12.9mm注意，調(diào)試結(jié)果因人而異，沒(méi)有準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)調(diào)試以后，仿真波形滿足設(shè)計(jì)要求。請(qǐng)隨時(shí)保存文件2023/10/628調(diào)試結(jié)果調(diào)試后的參數(shù)為：注意，調(diào)試結(jié)果因人而異，沒(méi)有準(zhǔn)查看數(shù)據(jù)打開(kāi)Circuit>DesignProperties…可打元件屬性列表，可查看最終的元件參數(shù)值。2023/10/629查看數(shù)據(jù)打開(kāi)Circuit>DesignProper同軸低通濾波器的設(shè)計(jì)2023/10/630同軸低通濾波器的設(shè)計(jì)2023/10/630

濾波器指標(biāo)：

f0＝2GHZIL<=0.1dBf1＝3GHZ時(shí)抑制達(dá)到-50dB

同軸線外徑8.8mm，使用圓形外導(dǎo)體高阻線內(nèi)徑0.5mm低阻線內(nèi)徑7.8mm

絕緣套筒厚度0.5mm，介電常數(shù)2.1

2023/10/631濾波器指標(biāo)：2023/10/631注意事項(xiàng)用Designer設(shè)計(jì)高低阻抗線低通濾波器時(shí)，最終的設(shè)計(jì)結(jié)果總是以第一段為串聯(lián)電感（高阻線）的形式實(shí)現(xiàn)，而實(shí)際中我們要求的往往是第一段為并聯(lián)電容（低阻線）的形式，因此在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成電路原理圖之前，我們要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行一些改變，把串聯(lián)電感等效成并聯(lián)電容，并聯(lián)電容等效成串聯(lián)電感。轉(zhuǎn)換時(shí)，高、低阻抗線的特性阻抗值都會(huì)改變，結(jié)果不滿足我們對(duì)高、低阻線的特性阻抗要求。為了得到需要的特性阻抗，我們要根據(jù)變換以后的特性阻抗值反推初始阻抗值。具體的操作將在下面進(jìn)行。2023/10/632注意事項(xiàng)用Designer設(shè)計(jì)高低阻抗線低通濾波器時(shí)，最終的低通示例2023/10/633低通示例2023/10/633同軸高低阻抗線示例2023/10/634同軸高低阻抗線示例2023/10/634建立新設(shè)計(jì)如圖選擇濾波器類型2023/10/635建立新設(shè)計(jì)如圖選擇濾波器類型2023/10/635APPCAD計(jì)算特性阻抗可見(jiàn)高低阻抗線的特性阻抗分別為172Ω、5Ω。2023/10/636APPCAD計(jì)算特性阻抗可見(jiàn)高低阻抗線的特性阻抗分別為172濾波器規(guī)格設(shè)置注意選中“Optimizepassbandcorne”如圖設(shè)置濾波器規(guī)格，其中fp1設(shè)為2GHZ。在對(duì)話框的右半部分可以看出大致波形，可見(jiàn)用13節(jié)低通可以滿足要求。2023/10/637濾波器規(guī)格設(shè)置注意選中“Optimizepassband濾波器屬性介電常數(shù)為一，同軸線內(nèi)徑為8.8mm2023/10/638濾波器屬性介電常數(shù)為一，同軸線內(nèi)徑為8.8mm2023/10高、低阻抗轉(zhuǎn)換點(diǎn)擊工具欄中的“dualcircuit”，轉(zhuǎn)換高低阻抗2023/10/639高、低阻抗轉(zhuǎn)換點(diǎn)擊工具欄中的“dualcircuit”，2比較轉(zhuǎn)換后的阻抗雙擊轉(zhuǎn)換后的元件，可以看到轉(zhuǎn)換后的每個(gè)元件數(shù)值，經(jīng)過(guò)比較可得：172Ω－>14.534884Ω5Ω－>500Ω2023/10/640比較轉(zhuǎn)換后的阻抗雙擊轉(zhuǎn)換后的元件，可以看到轉(zhuǎn)換后的每個(gè)元件數(shù)按照新阻抗設(shè)計(jì)低通重新設(shè)置高低阻抗分別為50