微带滤波器的设计(ADS).pdf
word 文档 可自由复制编辑 微带滤波器的设计（ADS）混合 002 班 李力 3003001032 一、原理 这次设计的滤波器主要是针对前面设计的天线而来的，即要实现最后的级联。所以有必 要阐述一下上次设计的天线的具体规格：上次设计的天线是在 2.5GHz 附近工作,而我在这里设计的滤波器目的是针对移动通信设计，所要求带宽较窄，令带宽在 50MHz 左右，符合天线能提供的范围。滤波器使用的基板参数还是 r=9.8,h=1.27mm，此时基板上的 50ohm 阻抗传输线的宽大概为 1.22mm。滤波器主要设计要求如下：中心频率 G0=2.5GHz 带宽=50MHz70MHz（计算按 50MHz）在 2.55GHz 上衰减达到 25dB 这里设计的滤波器为边缘耦合平行耦合线带通滤波器设计图如下：二、计算主要参数 1、由低通到带通频率的变换 这里 W 为相对带宽，01212122fffffffW=0.02 得到12，如果采用切比雪夫原型，查表得到此滤波器为 n=4级。纹波系数为 0.01dB的切比雪夫原型的元件数值分别为：g0=1;g1=0.7168;g2=1.2003;g3=1.3212;g4=0.6476;g5=1.1007;11 并且为了简单起见，采用对称耦合的末段。2、2121W=1.5551=1.89；1tan21=31.828；计算各个 G 参数如下：7168.0111G=1.1811；1007.16476.015G=1.1844；2003.17168.012G=1.0781；3212.12003.113G=0.7941；word 文档 可自由复制编辑 6476.03212.114G=1.0811；当滤波器采用对称耦合结构 121Gh=0.0301;1511111 AA;1811.10301.0512112 AA=0.2049;1522122 AA;828.310301.0411311211AAA=0.9580;1.89sin0800.10301.0412212 AA=0.0325;1.89sin7941.00301.0312A=0.0239;3、于是阻抗矩阵元素和偶、奇模阻抗为：1522122511111ZZZZ；2049.0512112 ZZ；9580.0411311211ZZZ；0325.0412212 ZZ；0239.0312Z；各耦合段的偶、奇模阻抗 耦合段编号 1 2 3 4 5 偶模阻 抗Z0e 归一值 1.2049 0.9905 0.9819 0.9905 1.2049 实际值 60.245 欧 49.525 欧 49.095 欧 49.525 欧 60.245 欧 偶模阻 抗Z0o 归一值 0.7951 0.9255 0.9341 0.9255 0.7951 实际值 39.755 欧 46.275 欧 46.705 欧 46.275 欧 39.755 欧 这里使用 ADS 自带的耦合微带传输线计算器来计算各个尺寸。主要是因为利用 PUFF软件对各个4长耦合微带线的尺寸时，如果是象本人设计的窄带滤波器寄模阻抗和偶模阻抗相差比较小，若设计精确需要加入小数部分，但是 PUFF 中不能写如小数部分，以至于设计不精确，如图所示：word 文档 可自由复制编辑 对于 ADS 微带线计算器 LineCalc，参数设置如下（对于第一组数据）各个参数计算如下：耦合区号 1 2 3 4 5 W(mm)1.166290 1.300080 1.299130 1.300080 1.166290 S(mm)0.826188 3.979720 4.985470 3.979720 0.826188 word 文档 可自由复制编辑 L(mm)11.787300 1.591400 11.585600 11.591400 11.787300 三、布局 用 ADS 进行仿真，在 schematic 中用模拟微带线进行布局，示意如下：其中的电路板参数设置为：解释如下：H 为电路板厚度，Er 为介电常数，设置为 9.8。Mur 为渗透性系数，设置为 1。Cond 是介质板上面金属层电导率，如果是铜的话，电导率取 5.78e6，T 为金属层厚度。四、仿真 设置了 S 参数后就可以仿真了，仿真结果如下：word 文档 可自由复制编辑 从图中数据分析。中心频率点在 2.409GHz,带宽在 2.381GHz2.440GHz 间，为 59MHz.。显然，设计不符合要求，主要是中心频率点偏离原定点太大（原定频率中心为 2.5GHz，带宽在 2.475GHz 到 2.525GHz 间，为 50MHz），除了带宽大小比较符合外，是个比较失败的设计。于是要进行优化。优化如下：五、优化 用 Tune 工具进行优化，需要一定的时间和耐心，最后做出来的电路如下：各个耦合微带线的具体尺寸变化为：耦合区号 1 2 3 4 5 W(mm)0.86824 1.14513 1.12744 1.14513 0.86824 S(mm)0.91741 1.52025 1.70144 1.52025 0.91740 L(mm)10.32205 11.66095 11.72338 11.81944 11.81944 改变后输出图象为：word 文档 可自由复制编辑 此时根据图象分析，还不是很理想。主要是和前级太不匹配，S11 参数普遍太大，希望能够和前级匹配，需要加入匹配电路。并且电路的通带衰减还是不够理想。加入匹配电路后如图所示：其中前面加入了三段串联传输线来进行匹配，其中最右边的那段是将原来的传输线改变长度得到的，三条线的具体尺寸为：W1=3.256mm，L1=10.96mm；W2=0.888mm，L2=11.8mm。而原来 1.28mm 的 50 欧姆传输线长度变为 11.44mm。匹配后输出图象如下：word 文档 可自由复制编辑 可见此时电路已经实现了匹配，但是新的问题又来了，如图可以看到 2.5GHz 处的衰减为-2.575dB，和带边上的衰减-3.582dB 和-3.227dB 相比较相对衰减明显太小。于是现在又面临一个新的问题，如何在尽量不使电路再次不失配的情况下，增加其品质因素？在这里我想了一个笨办法，先是改变元素值，使其在中心衰减稳定的情况下，使右边的倾斜度提高，以使得右边带的衰减符合要求。由于只考虑一边，电路上比较容易实现。然后，在滤波器的前端或后端（我使用后端，出于是电路看上去视觉平衡的原因），加入一个高通滤波器，调节它的 3dB 衰减位置，使得最终输出可以实现较理想的带通。但是这样也会带来很多困难和矛盾，首先是匹配上会出现问题，其次，由于多级的滤波，使得中心频率上的衰减会越来越大，信噪比会减小。但是，在不能想出更好的办法下，希望能用这个方法来实现设想的滤波器。首先，要设计一个匹配电路，品质因素当然是越高越好，电路设计如下：word 文档 可自由复制编辑 注意：这里设置的参数是根据后面的匹配得到的。得到输出图象如下：这里的衰减不是非常大，因为考虑到尽量使得中心衰减小，以至于使总的中心衰减不是很大。在滤波器末端加入这个高通滤波后，再进行一些小小的改动仿真。经过匹配后的最终电路为：word 文档 可自由复制编辑 各对耦合微带线和匹配线都有所改变，从左到右依次为 传输线：mmLmmW96.101256.31 mmLmmW8.112888.02 mmLmmW44.11328.13 耦合微带线为：耦合区号 1 2 3 4 5 W(mm)1.07662 1.13597 1.40181 1.22529 1.05752 S(mm)1.08437 1.32870 1.27819 1.33174 1.08437 L(mm)10.28766 11.45105 12.02775 11.84308 11.65398 这样得到的最终输出图象为：此时，在较小的反射系数下得到了较为理想的通带衰减，是个比较令人满意的结论。然后进行电路板模拟，用 ADS 自带的电路板生成工具，得到介质板如下：word 文档 可自由复制编辑 对其进行仿真，具体操作步骤为：1、设置 Substrate，点击，然后再点击，即完成设置模拟。2、设置 port，全选这个电路图，点击，编辑下面这个窗口，完成端口设置。word 文档 可自由复制编辑 3、Mesh仿真，点击，输入框中的频率数值，点击 ok 开始模拟。4、最后进行 simulate，点击 s-simulate设置好参数和点数后，就可以开始进行仿真。最后得到各种图象如下：word 文档 可自由复制编辑 word 文档 可自由复制编辑 将输出主要的波形与上面的原理图上主要波形相比较：发现，两者非常相近，虽然有些小小的差别，但是已经比较让人满意了。将电路板的 3D 图进行仿真，得到了增益图如下：word 文档 可自由复制编辑 六、分析 整个 project 在设计过程中主要是注重使带宽符合要求，所以或多或少的对别的因素如 中心衰减匹配问题有些忽略，那主要是因为我设计的滤波器如上面所讲的针对窄带滤波来的。在设计过程中发现，由公式根据需要算出来的尺寸和实际仿真出来的结果有很大的出入，这主要是由于计算的时候是根据理想条件来的，而实际上还要考虑到很多其它因素如贴片的边缘电容对电磁波的影响，介质损耗等等。因此在频率的搬移上我做了很大的功夫，时间是费了好久才搞定的。其实最终输出的增益如果从 23GHz 来看应该是如下所示：可见，在 2.2GHz 到 2.4GHz 间有一段很不平滑曲线，如果它进入带宽，会使整个电路 word 文档 可自由复制编辑 失真度奇大无比，但是我可以不去考虑这些，而把注意力集中在 2.4GHz 到 2.6GHz 间，是因为它上一级接的是微带天线，本身带宽就相对较小，在 200MHz 以内，它已经能将 200MHz以外的过滤掉。因此在 2.4GHz 和 2.6GHz 内，增益满足要求。另外一个就是匹配问题，在尽量满足带宽的情况下我只好牺牲电路的匹配，而且很难兼顾到两者的共同优化，在这个问题上我尝试了好久始终不能达到成功。从我的设计中可以看到我的滤波器由三部分组成，因此不但损耗会比较大，而且使得电路不能匹配，这些都是我这个电路的本身缺陷。做进一步的分析，是因为我起先定的带宽太小，只有 2%，这样在理想情况下计算出来的结果就和实际有了较大的差距，引起了后面优化的困难度。在后面的附录里面，有我设计的另一个例子，是在 10MHz 带宽的情况下，理想算出来的结果拿 ADS 仿真，发现它更是相差离谱了，可见书上的公式只适合带宽较大的情况，对窄带的设计还需要作进一步的修改。另外，在潘雪增同学的毕业设计论文中，还提供了另一种方法，我也进行了设计仿真，见附录。
