毕业设计（论文）-微带带通滤波器的设计和实现.doc

本科毕业论文（设计）题目： 微带带通滤波器的设计和实现 姓 名： 学号： 院（系）：机械与电子信息学院 专业： 电子信息工程 指导教师： 职称： 讲师 评 阅 人： 职称： 副教授 2012 年 6 月本科生毕业论文（设计）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得中国地质大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 毕业论文作者（签字）： 签字日期： 2012 年 月 日摘 要近几年随着商用无线通信的迅猛发展，射频/微波电路越来越得到重视和发展。微带带通滤波器作为微波器件的一种也得到了大力的发展，尤其是在接收机前端。带通滤波器即bpf（band-pass filter）是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备，一个理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。带通滤波器在无线通讯、图像处理和遥控遥感等各方面得到重要应用。因此，发展高性能，研究小型化的带通滤波器是当前非常受关注的课题。本文首先介绍了微波滤波器的应用和当前的研究情况。然后介绍了滤波器的理论基础和重要参数。最后该论文基于仿真软件ads和公式的基础上，介绍了微带线带通滤波器的设计方法，同时借助ads软件对所设计的微带线滤波器进行了仿真和优化，最终得到比较理想的微带线滤波器。在进行原理图设计、仿真和优化的过程中，重点内容是原理图的绘制和s参数的优化。在已知公式和表格的基础上，能够计算出滤波器的各种参数，利用这些参数能够绘制原理图；s参数的优化主要是优化范围的修改和一个不断重复的过程。本次设计所完成的滤波器如下：通带1.92.0 ghz，带内衰减小于2db，起伏小于1db，1.7ghz以下及2.2ghz以上衰减大于40db。试验结果表明，基于微波仿真软件ads的微带线带通滤波器能够顺利实现，并且重要参数能够较好的控制在所要求的范围内。关键词： 微带线 微带带通滤波器 仿真软件adsabstractin recent years, along with the high development of wireless communication in business, microwave rf circuit has been attracted more and more attention and also got many achievements. at the same time, as one of the important microwave components, the microstrip band-pass filters also developed rapidly in recent years. especially, the microwave bpf directly influences the performances of the receivers. band-pass filter namely bpf(band-pass filter) is a device which allow specific frequency range and shield other range. a ideal band-pass filter has a completely flat passband and the transition should be in a infinitesimal frequency range. band-pass filter get a wide range of applications in many directions such as wireless communication, image processing and remote sensing. an so, develop high performance, study miniaturized microwave filter is a hot topic in nowadays. at first, this paper introduces the application of microwave filters, and the current state of studying the filters. then introduces the theory basis and important parameter. with the software ads and the formula, this paper also well design a microstrip band-pass filter. at the same time also do the simulation and optimination with the help of ads. finally we get a relatively ideal microstrip filter. in the process of designing the schematic diagram, simulating and optimizing, the point is to draw the elementary diagram and optimize parameter s. based on the formula and diagram known, we can calculate all the parameters of the filter. with that, we can draw the schematic diagram. the optimizing of the parameter s mainly includes the modification of the optimizations sphere and its repetition. the filters this design contains are as follows: pass band 1.9-2.0ghz, in the belt weakens is smaller than 2db, the fluctuation is smaller than below above 1db, 1.7ghz and 2.2ghz weakens is bigger than 40db.the experimental shows that microstrip band-pass filter based on microwave circuit simulation software ads is effective, and the important parameter can be controlled in the required limits.keywords: microstrip, microstrip band-pass filter, ads目 录第1章 引言11.1 课题背景和意义11.2 微带滤波器国内外研究情况2第2章 带通滤波器设计理论42.1 滤波器的分类42.2 带通滤波器的主要参数42.3 带通滤波器的设计原型52.4 原型滤波器的元件值的归一化及其计算72.5 微带线8第3章 带通滤波器的重要指标及优化原则93.1 奇模和偶模特征阻抗93.2 s参数103.3 ads介绍及优化原则12第4章 带通滤波器的设计与优化134.1 设计指标144.2 原理图设计144.2.1 低通滤波器原型的参数的计算144.2.2 奇模和偶模特性阻抗的计算164.2.3 微带线尺寸的计算174.2.4 原理图的绘制184.3 原理图仿真及优化194.4 版图仿真254.5 后期需要改进的地方27结 束 语28参考文献30 中国地质大学（武汉）学士学位论文第1章 引言1.1 课题背景和意义科学技术的发展使得人类社会进入了信息时代，信息时代的主要标志之一就是信息的快速广泛的传递。信息传递必须通过两种方式：有线传输方式和无线传输方式。目前的固定电话、有线电视、有线互联网络都属于有线传输。移动通信、卫星通信属于无线通信。随着科学技术的进一步发展，人类对通信的需求越来越高，无线通信技术将发挥越来越重要的作用。图1-1是一种典型的移动电话射频电路方框图，图中的虚线部分表示在该无线通信设备中的滤波元件。从图中可以看出，信号的接收和发射都离不开滤波器，它们的尺寸以及工作性能直接影响整个无线通信设备的体积以及工作性能。图 1-1 一种典型的移动电话射频方框图无线通信技术和集成电路技术的迅猛发展，对无线通信电子设备提出了更高的要求，集成化、小型化、高可靠性已经成为无线通信系统发展的必然趋势，这就要求电路在满足电气性能的同时，尽可能减少电路占用空间1。为适应这一发展趋势，近年来出现了多芯片组件(mcm)、片上系统(soc)、封装系统(sop)等新的封装形式。这些新的封装形式，通过将不同信号的集成电路高密度地混合集成在一起，能够有效地减小系统的体积，从而实现了无线通信系统的小型化。目前，随着半导体技术的发展，无线通信系统中的有源电路已经实现了微型化并且能够有效地采用现代封装技术进行集成。而系统中的天线、滤波器、耦合器等无源电路尽管可以在一定程度上集成在现代封装系统中，但是，由于其工作性能的特殊要求及其特定的工作原理，还不能从设计上完全实现小型化，仍然面临着小型化、高性能化的关键技术难题。采用传统方法设计的滤波器尺寸一般比较大，在工作性能上也存在着一定的局限性，往往不能够满足现代无线通信系统的要求，急需从小型化和高性能设计两个方面进行改进。目前，国内外针对这一研究热点进行了广泛的研究，提出了一些新的设计方法，并且取得了一定的成效。从设计上实现滤波器小型化，不仅可以减小滤波器自身的尺寸面积，而且更加有利于系统的封装集成，进一步实现无线通信系统的小型化。因此，性能优良、高集成度的微波滤波器研究成为现代无线通信系统研究中一个十分关键的工作。微带滤波器因为重量轻、体积小、制造成本低且易于与其他微波电路集成等优点而广泛应用在无线通信系统中2。1.2 微带滤波器国内外研究情况移动通信产业惊人的成长速度超出了人们的想象，促进了滤波器的飞速发展，特别是固态化滤波器的发展，如晶体滤波器、陶瓷滤波器、saw滤波器、介质滤波器等。市场需求的巨大动力促使各类滤波器不断扬长避短、改进提高，在很大程度上已突破了早期的多种性能、功能或成本局限。近年来，薄膜声学体波共振技术（fbar）给射频前端滤波器小型化和集成化带来一线曙光。当然，许多问题涉及工艺控制与封装过程，有待解决。典型的fbar 测试结果显示，fbar技术带来的高q值和高耦合系数可与高级的陶瓷的和声表面波振子相媲美，目前达到的q值己超过1000 ，与基于陶瓷的产品相比，fbar 技术在小型化方面占有绝对的优势，可实现体积小于目前基于陶瓷产品10%的产品。fbar 的电特性己经达到目前cdma 和pcs陶瓷双工器的性能标准。为了减小体积，村田公司开发出mb型片式介质滤波器，它是由2-3个同轴谐振器整块连体构成，而无需电路基板、耦合器、外罩等。phs 1900 用最小的2 级带通滤波器仅3.84.32.0( mm ) ，而相对应的2级耦合型介质滤波器只能达7.08.03.7( mm ）。西门子公司研制的3 级整块联体型片式介质滤波器，尺寸规格仅8.87.452.75( mm )5.754.02.95( mm ) ，适用于ism915、gps1500 、pcn / pcs1800 、phs1900 。w-lan2450 的最小型仅为3.255.01.9( mm ）。1990 年日本住友公司提出低温共烧多层介质平面型滤波器的构想。此后，松下、日本、飞利浦、双信、ngk 、jti 等公司先后开发出适合于表面贴装的同类新产品3。随着信息化浪潮的推进，现代社会产生了巨大的信息要求，通信技术正在向高速、多频段、大容量方向发展。目前移动通信中所使用的主要频率为0.81.0 ghz，全球gsm频段分为4段，即850/900/1800/1900mhz。在宽带移动化方面，ieee 802工作组先后制定了wlan和wimax等技术规范，希望能沿着固定、游牧/便携、移动这样的演进路线逐步实现宽带移动化，常用的wlan通信频段标准为 ieee 802.11b/g(2.4-2.5ghz)和ieee 802.11a(5.2-5.8ghz)。为了在移动环境下实现宽带数据传输，ieee 802.16wimax成了宽带移动的重要里程碑，促进了移动宽带的演进和发展,2.3-2.4ghz和3.4-3.6ghz频段均被划分为wi max的全球性统一无线电频段4 。这正是s波段的应用，因此如何研究出高性能，小型化的滤波器是目前电路设计的关键环节之一。我国移动通信发展迅速，一方面用户数量不断增长，另一方面用户要求的业务种类也不断的增加，从话音业务到短消息和数据业务，以及将来的移动多媒体业务。由于用户超常规发展。现在移动通信系统从gsm 到gprs 直至cdma ，频率从原来的几百赫兹到了现在的9oomhz 、1.8 ghz 、2.4ghz 、5.8ghz 甚至更高。与此同时对于器件的小型化和高性能的要求也在不断提高。在微波波段，滤波器由于其具有小型化、易集成、设计灵活等优点而越来越受到重视。制作的微带滤波器的插损小、带边陡峭度高、带外抑制大、具有高灵敏度和高选择性，在移动通信领域具有广阔的应用前景。为了在移动设备等器件上获得更广泛的应用，器件小型化已经是非常重要的要求，在应用新型材料制作的同时，我们也利用了微波技术的各种理论通过都对微带滤波器的结构进行优化设计。例如多模微带滤波器，类交趾滤波器等。在设计中，可以采用多个相互耦合的微带线以提高滤波器的耦合度，降低滤波器的面积，同时，从微带线的等效分布电感、电容出发，结合模拟和试验结果，提出滤波器的等效lc电路，分析结构参数，从而减小滤波器的尺寸5。第2章 带通滤波器设计理论 论文研究的是使用ads软件设计微带带通滤波器的解决方案，而带通滤波器是以低通滤波器为原型设计的。当平行耦合微带线长度为时，有带通滤波器的特性，但其不能提供陡峭的通带到阻带过渡，如果将多个耦合微带线单元级联，级联后的网络可以具有良好的滤波特性。2.1 滤波器的分类最普通的滤波器有低通、高通、带通、带阻衰减特性（如图2-1所示）。图2-1 四个普通滤波器的特性曲线可以从不同角度对滤波器进行分类：(a)按功能分，有低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器，可调滤波器。(b)按用的元件分，有集总参数滤波器，分布参数滤波器，无源滤波器，有源滤波器，晶体滤波器，声表面波滤波器，等等6。2.2 带通滤波器的主要参数(1)绝对衰减（absolute attenuation）：阻带中最大衰减（db）(2)带宽（bandwidth）：通带的3db带宽（flowfhigh）(3)中心频率：fc或f0(4)截止频率：下降沿3db点频率(5)每倍频程衰减(db/octave)：离开截止频率一个倍频程衰减(db)(6)微分时延(differential delay)：两特定频率点群时延之差以ns计(7)群时延(group delay)：任何离散信号经过滤波器的时延(ns)(8)插入损耗(insertion loss)：当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减，db(9)带内波纹(passband ripple)：在通带内幅度波动，以db计(10)相移(phase shift)：当信号经过滤波器引起的相移(11)品质因数q(quality factor)：中心频率与3db带宽之比(12)反射损耗(return loss)(13)形状系数(shape factor)：定义为 (14)止带(stop band或reject band)：对于低通、高通、带通滤波器，指衰减到指定点(如60db点)的带宽7。2.3 带通滤波器的设计原型低通滤波器是带通滤波器的特例，可作为带通滤波器设计基础。两种常见的低通滤波器原型：（1）平坦低通滤波器特性曲线(如图2-2所示)：图2-2最大平坦低通滤波器特性曲线数学表示式如（2-1）:db (2-1)（2-1）中e满足关系式（2-2）： (2-2)n对应于电路所需级数。特点： = 0处(2n-1)阶的导数=0定义为衰减3db的频带边缘点(2) 切比雪夫低通滤波器特性曲线（如图2-3所示）： 图2-3切比雪夫低通滤波器特性曲线数学表示式如（2-3）、（2-4）： (2-3) (2-4)(2-3),(2-4)中e满足关系式(2-5)： (2-5)n仍旧是电路里电抗元件的数目。特点：带内衰减呈波纹特性定义为等波纹频带的边缘频率。最大平坦衰减特性曲线与切比雪夫特性曲线比较可以看出：1、若通带内允许的衰减量和电抗元件的数目n为一定，则切比雪夫滤波器的截止速率更快8 。因为其截止陡削，所以常常宁可选择切比雪夫特性曲线而不取其他的特性曲线。2、假如滤波器中的电抗元件的损耗较大，那么无论那种滤波器的通带响应的形状与无耗时的比较，都将发生变化，而在切比雪夫滤波器中这种影响尤其严重。3、理论证明了最大平坦滤波器的延迟畸变要比切比雪夫滤波器小。2.4 原型滤波器的元件值的归一化及其计算目的：提高设计通用性归一化定义：= = 1或= = 1= 1对于两端带有电阻终端的最大平坦滤波器，给定= 3db、= 1和= 1，则其原型元件值可以按下式计算： , k=1,2,n (2-6)= 1、对于两端具有电阻终端的切比雪夫滤波器，当其通带波纹为、= 1和= 1，它的原型元件值可按以下各式计算： (2-7) (2-8) , k=1,2,n (2-9) , k=1,2,n (2-10) (2-11) , k=2,3,n (2-12)当n为奇数时， (2-13)当n为偶数时， (2-14)2.5 微带线微带线是位于接地层上由电介质隔开的印制导线，它是一根带状导(信号线) 9 ，与地平面之间用一种电介质隔离开。印制导线的厚度、宽度、印制导线与地层的距离以及电介质的介电常数决定了微带线的特性阻抗。如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的10 。单位长度微带线的传输延迟时间，仅仅取决于介电常数而与线的宽度或间隔无关带状线是介于两个接地层之间的印制导线，它是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带线。它的特性阻抗和印制导线的宽度、厚度、电介质的介电常数以及两个接层的距离有关11 。如果线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电平面间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的。微带线特性阻抗如式(3-1)和模型（如图3-1所示）： (2-15)图2-4表层微带线模型其中z0是微带线的特性阻抗,w是微带线宽度，t是微带线厚度，h是电介质厚度，r是硬质电路板的相对介电常数12。与金属波导相比，微带线体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等；但损耗稍大，功率容量小。60年代前期，由于微波低损耗介质材料和微波半导体器件的发展，形成了微波集成电路，使微带线得到广泛应用，相继出现了各种类型的微带线。一般用薄膜工艺制造13 。介质基片选用介电常数高、微波损耗低的材料。导体应具有导电率高、稳定性好、与基片的粘附性强等特点。第3章 带通滤波器的重要指标及优化原则在设计带通滤波器时，设计过程中的重要参数为奇模和偶模阻抗，这两个参数决定了微带线的尺寸，进一步决定了滤波器的特性；体现滤波器特性的参数为s参数，优化时的对象即s12，优化时改变的参数为微带线的尺寸，尺寸改变了s参数就变化了。波形的仿真及优化都是在ads软件中进行的。3.1 奇模和偶模特征阻抗当多根传输线相互之间靠得很近的时候,传输线之间的电场和磁场将互相交互作用的更为复杂,传输在线的信号切换(switching)状态决定了以何种模式的传输,这种相互作用的重要性在于会改变传输线有效的特性阻抗和传输速率14 ,特别是当很多非常靠近的传输线同时切换,这种现象尤为严重,它会使总线出现特性阻抗和延迟时间产生变化,从而影响总线的传输效能.因此,在系统设计中必须考虑到这些方面的影响。当两根耦合的传输线相互之间的驱动信号振幅大小相同但相位相差180度的时候,就是一个奇模传输的模型。此情况下,传输线的等效电容增大,但是等效电感变小。当两根耦合的传输线相互之间的驱动信号振幅大小相同且相位也相同时,就是一个偶模传输的模型。此情况下,传输线的等效电容减小,但是等效电感增大。奇模和偶模传输模型如下图所示：图3-1奇模和偶模模型图可以将平行耦合微带线视为偶模激励和奇模激励的叠加，偶模和奇模有不同的特性阻抗，偶模的特性阻抗为z0e,奇模特性阻抗为z0o.奇偶模的特性阻抗与微带线的尺寸和材料有关。3.2 s参数网络理论是一种非常普遍的处理问题的方法，它把系统用一个由若干端口对外的未知网络表示。微波网络理论是微波工程强有力的工具，主要研究微波网络各端口的物理量之间的关系，实际的微波/射频滤波器也是用网络分析仪进行测量。微波网络分为线性与非线性，有源与无源，有耗与无耗，互易与非互易。双口元件15是在微波工程中应用最多的一种元件，主要有滤波器、移相器、衰减器等。与单口元件相似，双口元件一般采用网络理论进行分析，但是，值得指出的是元件的网络参数本身还是需要用场论方法求得，或者实际测量得到，从这个意义上讲，场论是问题的内部本质，而网络则是问题的外部特性。几乎所有的微波元件都可以由一个网络来代替，并且可以用网络端口参考面上的变量来描述其特性（在传输线上端口所在的位置，与能流方向垂直的横截面通常称为“参考面”）。选择参考面的原则是在该参考面以外的传输线上只传输主模。微波网络有不同的网络参量：阻抗参量z、导纳参量y和a参量反映的是参考面上电压与电流的关系；散射参量s、传输参量t反映的是参考面上归一化入射波电压和归一化反射波电压之间的关系。在微波频率下，阻抗参量z、导纳参量y和a参量不能直接测量，所以引入散射参量s和传输参量t。利用s参量，射频电路设计者可以在避开不现实的终端条件以及避免造成待测器件损坏的前提下，用两端口网络的分析方法来确定几乎所有射频器件的特征，故s参量是微波网络中应用最多的一种主要参量。二端口网络su1u2a1a2b2b1i21 端口2 端口i1图3-2 二端口网络示意图s参量是根据某端口上接匹配负载的情况下所得到的归一化波来定义的。设an表示第n个端口的归一化入射波电压，bn表示第n个端口的反射波归一化电压。所谓归一化波，就是各端口的波用其对应端口的参考阻抗进行归一化后得到的波，它们与同端口的电压的关系为 （3-1） （3-2）对于线性二端口网络（如图3-2所示），归一化入射波a和反射波b之间存在如下关系: (3-3a) (3-3b)式（3-3）写成矩阵形式为b=sa （3-4）矩阵s称为二端口网络的散射矩阵或s矩阵，表示为 （3-5）式（3-5）中的矩阵元素称为网络的散射参量，各项矩阵参量的物理意义为：表示端口2匹配时，端口1的反射系数；表示端口1匹配时，端口2的反射系数；表示端口1匹配时，端口2到端口1的传输系数；表示端口2匹配时，端口1到端口2的传输系数；ai=0表示第i个端口接匹配负载，该端口不存在反射波。对s11的模取对数就可以得到以db为单位的回波损耗16： （3-6）另外2端口的电压与信号源的电压有直接关系，所以s21可以用来表示网络的正向电压增益： （3-7）s参量是射频电路中最常用的参量，由于s参量很适合描述射频电路的相关性能参数，因此在射频电路中有着十分广泛的作用，是本次设计所要求的重要指标。3.3 ads介绍及优化原则先进设计系统(advanced design system)，简称ads，是安捷伦科技有限公司(agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款eda软件。ads电子设计自动化功能十分强大，包含时域电路仿真 (spice-like simulation)、频域电路仿真 (harmonic balance、linear analysis)、三维电磁仿真 (em simulation)、通信系统仿真(communication system simulation)、数字信号处理仿真设计（dsp）；ads支持射频和系统设计工程师开发所有类型的rf设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成mmic，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件17。在进行优化时，本次主要针对的目标是s参数，s 参数是入射波和反射波建立的一组现性关系，在微波电路中通常用来分析和描述网络的输入特性。s 参数中的s11，和s12 反映了输入输出端的驻波特性，s21 反映了电路的幅频和相频特性以及群时延特性，s12反映电路的隔离性能。 第4章 带通滤波器的设计与优化微带带通滤波器是一种被广泛研究的微波滤波器类型，它的品种繁多，性能各异，是现代电子系统中的关键部件之一。微带线带通滤波器是一种分布参数滤波器，它是由微带线或耦合微带线组成，具有体积小、重量轻、价格低、性能稳定可靠等优点，在微波工程中的应用相当广泛。下面是本人设计的滤波器的流程图：确定滤波器指标计算查表得滤波器阶数n确定标准低通滤波器参数计算传输线基模、偶模特性阻抗利用ads工具计算各节耦合线几何尺寸原理图绘制利用ads进行仿真得到波形达到技术指标利用ads优化w、l、sny得到最终w、s、l图4-1 设计流程图 l表示微带线长，w表示线宽，s表示微带线导体带的间隔。4.1 设计指标通带1.92ghz，带内衰减小于2db，起伏小于1db。1.7ghz以下及2.2ghz以上衰减大于40db。4.2 原理图设计基板参数：h:基板厚度(0.8 mm)er:基板相对介电常数(4.3)mur:磁导率(1)cond:金属电导率(5.88e+7)hu:封装高度(1.0e+33 mm)t:金属层厚度(0.03 mm)tand:损耗角正切(1e-4)roungh:表面粗糙度(0 mm)主要关注的技术指标：通带边界频率与通带内衰减、起伏；阻带边界频率与阻带衰减 。这两项是描述衰减特性的，是滤波器的主要技术指标，决定了滤波器的性能和种类(高通、低通、带通、带阻等)。图4-1是一个微带带通滤波器及其等效电路，它由平行的耦合线节相连组成，并且是左右对称的，每一个耦合线节长度约为四分之一波长(对中心频率而言)，构成谐振电路。图4-2 微带带通滤波器模型及其等效电路图在进行设计时，主要是以滤波器的s参数作为优化目标进行优化仿真。s21(s12)是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及衰减、起伏全都表现在s21(s12)随频率变化曲线的形状上。s11(s22)参数是输入、输出端口的反射系数，由它可以换算出输入、输出端的电压驻波比。如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，并且影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。4.2.1 低通滤波器原型的参数的计算首先根据滤波器参数指标，计算出滤波器低通归一化频率通带衰减为2分贝，故选用2db波纹的切比雪夫低通滤波器原型，其阻带衰减特性图如图4-2：图4-3 2db波纹的切比雪夫低通滤波器的阻带衰减特性故可知滤波器级数n=3，同时切比雪夫滤波器元件参数表如图4-3：图4-4 切比雪夫低通滤波器元件数值可知具有带内波纹2db的3阶切比雪夫标准低通滤波器参数g0=g4=1.0000，g1=g3=2.7107，g2=0.8327。4.2.2 奇模和偶模特性阻抗的计算首先由下列各式(4-1)、(4-2)、(4-3)计算出耦合间变换的特性导纳。 (4-1) (4-2) (4-3)上式中是低通原型滤波器的归一化值。fbw是带通滤波器的相对带宽，是j变换的特性导纳，y是输入输出微带线端的特性导纳。利用下面的公式(4-4)、(4-5)计算出奇偶模特性阻抗。 (4-4) (4-5)表4-1 各节奇偶特性阻抗数值第一节第二节第三节第四节偶模阻抗60.152.852.860.1奇模阻抗42.947.547.542.94.2.3 微带线尺寸的计算在微带带通滤波器中，也经常用半波长平行耦合谐振电路来级联形成带通滤波器。此种滤波器的结构形式使相邻的半波长谐振单元彼此平行排列，其耦合值的大小通过相邻平行耦合线间的距离来决定。因而，这种结构形式的滤波器容易易用来制造带通滤波器。ads软件中的工具tools，可以对不同类型的传输线进行计算。对于平行耦合微带线来说，可以进行物理尺寸和点参数之间的数值转换，若给定平行耦合微带线奇模和偶模的特性阻抗，可以计算平行耦合微带线的导体带的宽度和间隔距离。根据所求得奇偶模特性阻抗利用ads软件linecalc来计算微带尺寸，将窗口里的参数修改为所给定的基板参数，并注意长度单位为mm，同时修改type为mclin以及中心频率为1.95ghz。运行中的窗口如图4-4所示：图4-5 linecale计算微带线尺寸由此得到的各耦合段物理尺寸，如下表所示：表4-2 各节物理尺寸数值cl1cl2cl3cl4w1.400mm1.497mm1.497mm1.400mms0.594mm1.885mm1.885mm0.594mml21.606mm21.383mm21.383mm21.606mm4.2.4 原理图的绘制首先建立滤波器的主要结构，即4个平行耦合微带线，在选择2个普通微带线插入，插入参数设置控件并修改为指定参数。将4节微带线的尺寸修改为上述计算出的数字，并设置参数仿真控制器的扫频参数，进行原理图仿真，其原理图如图4-5所示：图4-6 微带带通滤波器原理图上图中，mcfil是平行耦合线，是滤波器的主要结构，它的长l约为四分之一波长(根据中心频率用微带线计算工具算出)，其主要参数就是以上计算的w、s、l；mlin是普通微带线，是特性阻抗为50欧姆的微带线，它的宽度w可由微带线计算工具linecalc得到线宽1.521mm；musb是微带线参数设置控件；s-parameters是s参数仿真控制器。平行耦合线滤波器的结构是对称的，所以四个耦合线节中，第1、4及2、3节微带线长l、宽w和缝隙s的尺寸是相同的。4.3 原理图仿真及优化由于在原理图中已经放置了仿真控制器，故可直接运行仿真，仿真结果如图4-6及图4-7所示：图4-7 s(1,2)参数曲线图4-8 s(1,1)参数曲线从图可以看出，中心频率出现了明显的偏移现象。这是由于在设计平行耦合微带带通滤波器时没有考虑边缘场效应的影响，为此需要进行优化设定优化目标及优化控制器参数。耦合线的微带线长l、宽w和缝隙s是滤波器设计和优化的主要参数，在优化中要用变量代替，便于后面修改和优化，本次优化使用的是ads提供的optim(optimization)优化工具。首先修改原理图中耦合微带线的取值方式，将平行耦合微带线段的导体带宽度w、两个导体带间隔s和耦合微带线的长度l设为变量，并设置好4个平行耦合微带线的尺寸，其中clin1的尺寸设计如图4-8所示，其他的根据结构上的对称关系类推：图4-9 clin1尺寸设置之后插入变量控件，针对每个变量设置其优化范围，具体图示如图4-9所示：图4-10 变量控件设置然后在原理图设计窗口中选择一个优化控件optim插入到原理图中，并同时在元件面板列表中选择3个优化目标控件goal插入其中，优化目标1针对通带，优化目标2和优化目标3针对阻带衰减。以目标控件goal1为例，设置完成的窗口如图4-10所示：图4-11 优化目标控件设置可以清楚的看到优化范围是1.9ghz-2.0ghz，衰减最小值为-2db。依次对每个优化控件设置完成后，最终的优化原理图如图4-11所示：图4-12 优化原理图如果一次优化不能满足设计指标要求，则需要改变变量的取值范围，进行重新优化，直到满足要求为止；在每次优化完成后，要在原理图窗口中保存优化后的变量值。优化完成后必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。再次对优化后的微带原理电路进行仿真就可以得到比较满意的滤波器传输和反射曲线如图4-12及4-13所示：图4-13 优化后s(1,2)仿真曲线图4-14优化后s(1,1)仿真曲线可以从仿真信息窗口中得到符合要求的滤波器的各参数的确定值如图4-14所示： 图4-15 仿真状态窗口currentef=0表示达到了优化目标。观察s12和s11 曲线是否满足指标要求(包括优化目标中未设定的带内起伏小于1db的要求)，如果已经达到指标要求，就可以进行版图的仿真了，如果没有达到指标要求，那么就重新进行优化仿真。4.4 版图仿真微带滤波器的实际电路时有电路板和微带线构成的，实际电路的性能可能会与原理图仿真的结果有很大差别。因此，需要在ads中对版图进行进一步的仿真后才能进行电路板的制作。版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但是它的计算比较复杂，需要较长的时间，在此作为对原理图设计的验证。所以在版图仿真前要看一下相邻各耦合线节的微带线宽是否相差过大，如果相差过大就会造成原理图和版图仿真有较大的差别，这就需要改变变量初值重新进行优化。在原理图视窗上，去掉平行耦合微带线带通滤波器的两个端口“term”和“接地”，然后再去掉其中的优化控件optim，剩下的部分就是用来生成版图的原理图了，如图4-15所示：图4-16 用于生成版图的原理图版图仿真结果如图4-16：图4-17 版图仿真版图生成后先要设置微带电路的基本参数，为了进行s参数仿真还要在滤波器两侧添加两个端口，做法是点击工具栏上的port按钮，弹出port设置窗口，点击ok关闭该窗口，在滤波器两边要加端口的地方分别点击加上两个port，将版图放大后可以看到两个端口如图4-17所示： 图4-18 添加端口p1和p2仿真运算要进行数分钟，仿真结束后将出现曲线显示窗口，观察s11和s21曲线，性能有不同程度的恶化，此处要求s12在通带内衰减小于2db，起伏小于1db，阻带衰减大于40 db。版图仿真曲线如图4-18所示：图4-19 版图仿真曲线4.5 后期需要改进的地方在版图仿真中，仿真出来的结果并不十分正确，通带的上边界衰减为-3.606db,超过了所要求的范围，而原理图优化中currentef=0,于是返回优化原理图，但微带线尺寸并不会改变，由于本人水平有限，这个问题一直没有解决。另外，在设计过程中，经常出现数字漏一位的情况，对结果造成严重影响，希望自己以后能够更加细心，避免浪费过多的时间。结 束 语本文设计的是微带线结构的带通滤波器，使用ads进行设计、仿真和优化，使所设计的滤波器在通带衰减、波纹和阻带衰减这些重要参数上达到要求。此次设计中主要是做