Ansoft-Designer中濾波器的設計解讀課件

AnsoftDesigner

微帶低通濾波器設計

武漢凡谷電子技術有限公司2023/11/271說明Asoftdesigner中的濾波器設計功能可以實現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻濾波器的設計，實現(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式逼近的微帶低通濾波器的設計，其它濾波器的設計方法可依此得出。

2023/11/272創(chuàng)建項目在file>saveas中把該項目另存為ms_lp點擊該圖標，新建一個項目2023/11/273打開濾波器設計工具點擊該圖標，或者從Project>insertfilterdesign…進入濾波器設計窗口設計完成后將直接在項目下建立一個頂端文件，該文件不屬于任何的父文件，為獨立設計。2023/11/274濾波器設計屬性（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、分支線傳輸線結構、高低阻抗線以及寬帶低通結構。我們選用高低阻抗線設計（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式（Chebysheve）。在Prorotype中提供了兩種設計方式：固定傳輸線的特性阻抗，設計傳輸線長度；固定傳輸線電長度，設計其特性阻抗。在實際設計中常常是固定了傳輸線的特性阻抗進行設計。Technology中可以選擇濾波器的實現(xiàn)方式，對于我們的設計，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、中心導帶為圓棒的帶狀線和同軸線。點擊Next2023/11/275濾波器設計屬性（2）點擊該圖標查看濾波器平面圖點擊該圖標查看說明文檔點擊該圖標查看原理圖點擊該鍵打開軟件自帶的設計例子點擊該鍵打開以前的設計點擊該鍵改變設計中用到的單位在該選項中改變設計初始值以及設計目標在這里可以設置設計中的Q值在設計的時候往往不需要改變默認值，而直接進行設計點擊NEXT2023/11/276濾波器規(guī)格設置*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)的理論設計結果。*Order為濾波器節(jié)數(shù)；Ripple為理論帶內損耗；Fp1為帶邊頻；Source/Load，Rs為源/負載的特性阻抗值（常用50ohms)；Elect.Lng為電長度；High/LowZo為高/低阻抗線特性阻抗。*注意選擇Optimizepassbandcorner該項確保設計結果最接近所需要的結果。*設計結果并不能總是完全符合設置的要求，比如帶邊頻不能正好是在2Ghz上，這就需要用戶在設計中調整，或者重新設定f1。點擊NEXT2023/11/277結構屬性設置在結構屬性設置窗口中，可以設定所選用的結構（這里是微帶線）參數(shù)，這些參數(shù)包括：介質板的介電常數(shù)、介質板厚度、金屬導帶厚度、濾波器腔體高度以及前面設置的帶邊頻*如圖輸入數(shù)據(jù)，可見在VARIABLES中W1＝0.5004mm；W2＝10.03mm

這是高低阻抗線的寬度，另外有一項W3＝0.3878mm為高阻線寬度，就是說在所設計的濾波器中有兩種寬度的高阻線。*當結構屬性改變時，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)格設置中重新設置高低阻抗線的特性阻抗，直到滿足要求為止。點擊Next2023/11/278設置完成設置完成后將出現(xiàn)此窗口，在窗口的左部分有兩排圖標，其中左邊一排分別是：原理圖、波形圖、平面視圖、文本說明、元件特性，元件參數(shù)（長度）、耦合線參數(shù)（本例中沒有耦合線）。查看原理圖時，右邊豎排圖標才有意義，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、同時顯示參數(shù)類型數(shù)值和單位。點擊“完成”2023/11/279把原理圖轉換成結構圖點擊該圖標把原理圖轉換成物理參數(shù)電路可從filter>export>physicalcircuit進入點擊該圖標把原理圖轉換成理想?yún)?shù)電路可從filter>export>physicalcircuit進入

我們這里把原理圖轉換成物理電路注意，有些原理圖是不能轉換成物理模型的，在設計時應當注意。這種情況可能發(fā)生于：1設置錯誤。在設定高/低阻抗值時，本軟件對于一個特定的結構有高阻上限和低阻下限，超過限制的設置將出現(xiàn)錯誤2軟件本身不支持該結構的物理模型。這是無法根改的，對于這些模型用戶只能得到其理想結構。這時候物理模型圖標變?yōu)榛疑?023/11/2710*錯誤設置示例

錯誤提示欄在這里我們把高阻線的阻抗值設為250ohms則在結構設置窗口中將出現(xiàn)錯誤提示，因為此時的高阻線已經超出了該結構的上限。此時VARIABLES中顯示的變量數(shù)值是不準確的。2023/11/2711調整電路（1）右鍵點擊項目窗口中的電路圖標，在下拉列表中選擇Rename，把電路重命名為ms_lp。點擊該圖標，將顯示電路的平面版圖請隨時保存文件2023/11/2712調整電路（2）可見所得到的物理結構并不是我們實際設計中的結構，因此我們要對版圖進行調整，以符合實際的電路結構。左鍵該圖標切換到平面版圖模式

2023/11/2713調整電路（3）我們先來看看電路中阻抗變換器的結構。在元件屬性中點擊Info.的Value就可以打開該元件的說明這里的D在電路中為w3＝0mm我們只要把w3設為一個合適的數(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。2023/11/2714調整電路（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設置變量的值2023/11/2715調整電路（5）點擊該圖標把版圖重新排列，可見更改后的結構符合實際設計要求2023/11/2716運算，創(chuàng)建報告（1）左鍵該圖標進行運算

左鍵該圖標繪制直角坐標系下的曲線請隨時保存文件2023/11/2717創(chuàng)建報告（2）選擇SParameter，在Quantity中選擇S11和S12，F(xiàn)unction選擇dB點擊AddTrace，Done完成。2023/11/2718查看報告（1）曲線圖中右鍵點擊任意位置，在彈出的菜單中選則DataMarker對曲線進行標點。2023/11/2719查看報告（2）移動指針的位置或者用鍵盤的方向鍵移動標點的位置，在需要加標點的地方，點擊鼠標，加入標點（用鍵盤的上、下方向鍵選擇曲線）最多可加入5個標點。標點的數(shù)值將在曲線圖的下方顯示?？梢娫撛O計的帶邊頻為2.16Ghz，同時還有該設計的帶外抑制、諧波以及回波情況。因為我們在前面已經對電路進行了一些修改，所得的波形與設計波形有較大偏差，帶邊頻明顯偏高。因此我們需要對電路優(yōu)化和調試。2023/11/2720查看設計參數(shù)點擊菜單中的circuit，選擇DesignProrerties，彈出圖中的屬性對話框。在Local對話框中，選擇Value，改變w1＝0.5mm，w2＝10mm，w4＝0.4mm以滿足結構參數(shù)。2023/11/2721優(yōu)化設置（1）選擇Optimization選項，把p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7設為優(yōu)化變量。點擊“確定”2023/11/2722優(yōu)化設置（2）點擊該圖標彈出優(yōu)化窗口

點擊Add添加優(yōu)化點擊Delete刪除選定的優(yōu)化點擊這里添加優(yōu)化函數(shù)點擊這里添加優(yōu)化范圍點擊這里添加優(yōu)化目標和權重所有的需要輸入的內容都可以在相應欄中直接輸入。如圖設置優(yōu)化參數(shù)，點擊“確定”2023/11/2723開始優(yōu)化在項目管理窗口中右鍵點擊optimizationsetup1選擇Analyze，開始優(yōu)化。請隨時保存文件2023/11/2724查看優(yōu)化結果在優(yōu)化過程中，曲線將隨之變化對比優(yōu)化前后的曲線圖，可見，優(yōu)化后的結果也不理想，因此，有必要對設計進行手動調節(jié)2023/11/2725參數(shù)調節(jié)（1）在元件屬性對話框中，選中p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7作為調試變量。2023/11/2726參數(shù)調節(jié)（2）點擊該圖標，彈出下圖所示的對話框，該對話框中列出了上一步設置為可調試調試的所有變量。調節(jié)每個變量對應的滑塊位置或者直接在中間的數(shù)據(jù)欄中輸入數(shù)值，點擊對話框左部分的Tune就可以調試，調試結果將在曲線圖即時顯示。每個參量對話框中的上下數(shù)據(jù)欄里的數(shù)據(jù)分別為調試的上下限?？稍谠傩粤斜砝锔淖?，也可以在這里改變，這里改變的數(shù)值將不改變元件屬性列表里的上下限。2023/11/2727調試結果調試后的參數(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，調試結果因人而異，沒有準確的標準經過調試以后，仿真波形滿足設計要求。請隨時保存文件2023/11/2728查看數(shù)據(jù)打開Circuit>DesignProperties…可打元件屬性列表，可查看最終的元件參數(shù)值。2023/11/2729同軸低通濾波器的設計2023/11/2730

濾波器指標：

f0＝2GHZIL<=0.1dBf1＝3GHZ時抑制達到-50dB

同軸線外徑8.8mm，使用圓形外導體高阻線內徑0.5mm低阻線內徑7.8mm

絕緣套筒厚度0.5mm，介電常數(shù)2.1

2023/11/2731注意事項用Designer設計高低阻抗線低通濾波器時，最終的設計結果總是以第一段為串聯(lián)電感（高阻線）的形式實現(xiàn)，而實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，因此在設計轉換成電路原理圖之前，我們要對設計進行一些改變，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。轉換時，高、低阻抗線的特性阻抗值都會改變，結果不滿足我們對高、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行。2023/11/2732低通示例2023/11/2733同軸高低阻抗線示例2023/11/2734建立新設計如圖選擇濾波器類型2023/11/2735APPCAD計算特性阻抗可見高低阻抗線的特性阻抗分別為172Ω、5Ω。2023/11/2736濾波器規(guī)格設置注意選中“Optimizepassbandcorne”如圖設置濾波器規(guī)格，其中fp1設為2GHZ。在對話框的右半部分可以看出大致波形，可見用13節(jié)低通可以滿足要求。2023/11/2737濾波器屬性介電常數(shù)為一，同軸線內徑為8.8mm2023/11/2738高、低阻抗轉換點擊工具欄中的“dualcircuit”，轉換高低阻抗2023/11/2739比較轉換后的阻抗雙擊轉換后的元件，可以看到轉換后的每個元件數(shù)值，經過比較可得：172Ω－>14.534884Ω5Ω－>500Ω2023/11/2740按照新阻抗設計低通重新設置高低阻抗分別為500Ω14.534884Ω2023/11/2741完成設計轉換電路結構：可以看到轉換后得的電路特性阻抗?jié)M足我們的要求，第一段為5Ω低阻線第二段為172Ω高阻線。2023/11/2742電路實現(xiàn)把原理圖轉換成電路圖，得到以上結構。*注意，同軸線的結構不能轉換成物理結構電路圖，但前面的設計根據(jù)物理結構得出特性阻抗，該阻抗值即對應同軸線實際尺寸，因此不需要考慮具體的結構，只需要得到對應的高低阻抗線長度就可以了。2023/11/2743查看波形可見該設