基于ADS微带耦合滤波器的设计.doc

湖南文理学院芙蓉学院本科生毕业论文(设计)题 目： 基于ads的微带耦合 滤波器的设计 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 完成时间： 2014年5月8日 目录摘要iabstractii第一章 绪论11.1 背景11.2 研究意义21.3 设计要求21.4 方案比较与选择31.4.1 方案一：基于ads设计平行耦合微带线带通滤波器31.4.2 方案二：基于designer的多带外零点微带带通滤波器仿真设计31.4.3 方案三：基于fpga的fir数字滤波器的设计与仿真4第二章 关于低通滤波器的设计52.1 低通原型滤波器52.1.1 滤波器的基本原理52.1.2 低通滤波器的设计指标72.1.3 低通原型滤波器的设计72.2 低通滤波器原理图设计72.2.1 仿真参数设置和原理图仿真92.2.2 原理图仿真10第三章 平行微带耦合滤波器的设计113.1 传输线理论113.1.1 微带线的结构及传输模式113.1.2 耦合微带线及其传输模式113.1.3 传输线的基本特性参数123.2 微带滤波器的技术指标143.3 平行微带耦合滤波器的设计143.3.1 平行耦合微带线带通滤波器的原理143.3.2 设计指标163.3.3 生成滤波器的原理图173.3.4 微带线计算工具183.3.5 设置微带器件的参数183.3.6 添加变量193.3.7 s参数仿真电路设置20第四章 电路优化214.1 优化目标控件214.2 参数优化224.3 观察仿真曲线234.3.1 原理图234.3.2 原理图的仿真244.3.3 平行耦合型滤波器的最终设计参数25结论27参考文献28致谢30摘要滤波器是最基本的信号处理器，滤波器的主要特性包括低通、高通、带通、带阻衰减。微带滤波器是一类被大量使用的微波滤波器1。很多型号的滤波器都可以在低通滤波器的原型上转化过来。微带电路拥有频带比较宽、体积较小、质量较轻等较多的长处，所以使用微带做滤波器是其主要应用之一。在文中利用微波滤波器只让频率正确的的信号通过阻碍频率不同的信号的特性来区分信号而设计出具有高性能的滤波器。本文利用微波设计软件ads全局优化设计2，使用软件自带的耦合微带传输线计算器来进行计算，对得出的电路拓扑结构进行仿真，并且对其不理想的地方进行优化处理。这样显然减少了大量繁琐的计算，使得微带耦合滤波器的设计变得简单、精确。结合实用的解决方案对带外抑制和插入损耗进行优化设计，最终得到比较理想的带通滤波器。重点阐述了如何利用ads软件有效、快速的设计出微带耦合滤波器的设计过程。关键词：ads软件；仿真；平行耦合微带线；滤波器abstractfilter is the most basic signal processors, the main characteristics of the filter include low pass, high pass, band pass, band stop attenuation. microstrip filter is a type of microwave filters are heavily used. many types of filters can be transformed back on the prototype low-pass filter. microstrip circuit has a relatively wide frequency band, smaller, lighter quality higher strengths, to do so using microstrip filter is one of its main applications. in this paper, the use of microwave filters only allow the correct frequency signal by blocking the signals of different frequencies to distinguish the signal characteristics and high performance filter design. in this paper, global optimization ads microwave design software design, software comes coupled microstrip transmission line calculator to calculate, on the results of the simulation circuit topology, and its not the ideal place to optimize. so obviously reduces the amount of tedious calculations, coupled microstrip filter design allows easy and precise. combined with practical solutions for the band rejection and insertion loss to optimize the design, and ultimately get the ideal bandpass filter. ads focuses on how to use the software effectively, quickly design coupled microstrip filter design process.keywords: ads software; simulation; coupled microstrip lines; filtersi基于ads的微带耦合滤波器设计第一章 绪论1.1 背景现如今，信息时代的来临以成为了环绕在人们身边的一股信息风，现代社会的信息化拓宽了人的实践领域、催生了新的交往方式与生活方式，对人的发展起到了不可估量的促进作用。也在很大程度上改变了人们在生活和交往等一系列方面的方式，这主要体现在人们对信息的依赖与需求。这其中的无线通信便成为了信息化中最突出的方面，随着世界上无线通信用户的增长，无线通信已进入了规模化发展，并将推动整个世界的发展。无线通信系统收发的射频信号是模拟信号3，这个射频模拟信号需要进行滤波器滤波和放大器放大，滤波的目的是保证只让频带内的信号通过，抑制频带外的噪声，放大器的目的是提高功率准备发射信号或放大所接收到的微弱信号，所以滤波器在信号的发射与接收过程中起着关键的作用，是必不可少的器件，其性能的好坏决定着整个系统的通信质量。由于通信技术的高速发展，对电路的集成化程度、稳定性、可靠性以及体积的大小等要求越来越高。为了使整个系统占用空间的面积越来越小，人们想到了许多新型封装形式。射频无线通信系统前端的电路模块在某种理论程度上能够集成在一起4，但是，由于这些电路元件模块之间存在着不同的工作原理，适用的工作性能不同等，致使目前仍不能实现集成，这种情况只是我们对它的期望与理想，不能真实实现。所以这也将成为滤波器设计过程中的一个难题，目前有很多人在做着这方面的研究。传统的设计方法已经不能满足射频电路和系统设计的需要，使用射频eda软件工具进行射频电路设计已成为必然趋势5。eda工具首推的是ads。ads (advanced design system)软件由美国安捷伦(agilent)公司推出的微波电路和通信系统的仿真软件6，是当前射频和微波电路设计的首选工程软件，可以支持从模块到系统的设计，能够完成射频和微波电路设计、通信系统设计和射频集成电路设计。该软件功能强大，仿真手段丰富多样，可以实现包括时域和频域、数字和模拟、线性和非线性以及电磁等多种仿真手段，并可以对设计结果进行分析和优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，是当今业界最流行的射频和微波电路系统的设计工具7。随着无线通信的迅猛发展，频率资源的日益紧张，作为分离有用和无用信号的微波滤波器成为通信系统中的重要部件，其性能的优劣直接影响整个通信系统的质量。现在，微波滤波器已被广泛应用于微波、毫米波通信、微波导航、制导、遥测遥控、卫星通信以及军事电子对抗等多种领域，并对微波滤波器的要求也越来越高。高阻带抑制、低通带插损、宽频带、高功率、寄生通带远和带内平坦群时延等成为用户的主要技术指标要求。同时，体积、成本、设计速度也是用户极为关心的话题。因为大部分通信系统收发链路共用一根天线，对双工器乃至多工器的研究需求也越来越迫切。这就促使微波设计师们不断研究和发展微波滤波器和双工器的设计技术8。1.2 研究意义滤波器是用来分离不同频率信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器，只让需要的信号通过。在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重要的意义。微带电路具有体积小，重量轻、频带宽等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应用之一。平行微带耦合线带通滤波器在微波集成电路中是被广为应用的带通滤波器。所以现在我们利用微波仿真软件ads, 使用软件自带的微带耦合传输线计算器来进行计算，对得出的电路拓扑结构进行仿真9，并且对其不理想的地方进行优化处理。这样显然减少了大量繁琐的计算，使得微带耦合滤波器的设计变得简单、精确。1.3 设计要求当频率达到或接近ghz时，滤波器通常由分布参数元件构成，分布参数不仅可以构成低通滤波器，而且可以构成带通和带阻滤波器。平行微带耦合传输线由两个无屏蔽的平行微带传输线紧靠在一起构成，由于两个传输线之间电磁场的相互作用，在两个传输线之间会有功率耦合10，这种传输线也因此称为耦合传输线。平行耦合微带线可以构成带通滤波器，这种滤波器是由四分之一波长耦合线段构成，她是一种常用的分布参数带通滤波器。技术要求：3db带宽: 25mhz阻带衰耗: (30mhz):as40db通带回波损耗: (=5%):ae26db带内波动: 小于2db通带中心频率: f0=3.05ghzs22-20db带通滤波器特性阻抗: r0=501.4 方案比较与选择1.4.1 方案一：基于ads设计平行耦合微带线带通滤波器在基于ads软件的基础上对微带耦合滤波器进行设计。对电路结构和设计方法进行分析。通过分析平行耦合微带线带通滤波器的电路结构,提出了一种消除滤波器带宽偏离指定设计带宽和在截止频率附近缓和通带内电压驻波比波动过大的方法。常用的方法为综合优化法，步骤为(a)制定滤波器的技术要求；(b)根据技术要求, 选定设计方法和选择合适的标准低通滤波器参数 gk(k = 0, 1, n, n + 1)；(c) 确定归一化带宽、上边频和下边频, 按公式计算奇模、偶模的特征阻抗值, 从而确定微带线的间隔、宽度、长度；(d) 应用eda工具对初步设计进行仿真、优化, 然后进行误差分析或调谐范围分析以进一步提高设计质量；(e)制作样品.在此基础上阐述了设计平行耦合微带线带通滤波器的流程以及相关参数的计算方法,最后基于ads给出一个中心频率为10ghz的滤波器的设计实例及其仿真分析结果,验证了此方法的正确性和可行性。利用ads软件，在微带电路方面具有体积小重量轻频带宽等诸多优点，并且利用ads软件可以大大减少工作量，并且能提高效率，降低成本。1.4.2 方案二：基于designer的多带外零点微带带通滤波器仿真设计应用ansoft designer软件仿真设计了两种结构简单紧凑的微带平行耦合线带通滤波器。在一定的频率处产生传输零点，分析了两种不同类型微带线结构与最终产生的对应结果。最后对计算、仿真和实测的结果进行了对比和分析。对于微带线与传输零点情况分析，文中对平行耦合微带线、微带线开路枝节、短路结构耦合微带线进行设计与分析。在滤波器设计中，分析了耦合线对称馈电滤波器设计、含源和负载耦合的两腔交叉耦合滤波器两种。文章设计了两种结构新颖紧凑的微带窄带通滤波器，通过巧妙设计实现了微带滤波器的带外多个传世零点。通过调节开路枝节和不同结构的耦合微带线，可以将传输零点调节到需要的合适位置，抑制相应的频率干扰，进而实现良好的带外特性。其中计算、仿真的结果吻合很好。但designer软件计算量比较大，虽然具有高效性和准确性，但计算复杂，容易出错，降低了效率。1.4.3 方案三：基于fpga的fir数字滤波器的设计与仿真实现数字化是控制系统的重要发展方向。利用fpga可以重复配置高精度的fir滤波器，使用vhdl硬件描述语言改变滤波器的系数和阶数，并能实现大量的卷积运算算法。结合matlab工具软件的辅助设计，使得fir滤波器具有快速、灵活、适应性强，硬件资源耗费少等特点。其基本原理为分布式算法实现乘加运算为目的的运算方法。概算法利用一个查找表（lut）实现映射，经查找表后直接输出部分积。实验设计了fir滤波器并借助altera公司的fpga器件和0uartus 2软件对设计进行仿真验证，测试结果完全能满足系统设计要求。fpga是一种高密度的可编程逻辑器件，但它大部分是基于sram编程，在编程时数据信息在系统断电时会丢失，其编程信息存放于外部存储器上，且使用方法复杂，保密性差。综合上述方法的比较，利用ads软件进行设计比较好。第二章 关于低通滤波器的设计2.1 低通原型滤波器2.1.1 滤波器的基本原理1、滤波器的基础是谐振电路，它是一个的二端口网络11，对频率适合的信号进行传输，对频率不匹配的信号进行发射衰减，从而实现信号频谱过滤。二端口低频网络可以使用网络参数对网络线性特征进行描述。描述低频线性网络输入和输出的物理量。图2.1 二端口网络2、常用的低频网络参量有四种，分别称为阻抗参量、导纳参量和转移参量，视具体的应用场合，可选择一种最适合电路特性的网络参数。典型的频率响应包括低通、高通、带通、带阻衰减，如下图所示。其他型号的滤波器一般都可以在低通滤波器的原型上转化过来。 （a）低通滤波器频响曲线 （b）高通滤波器频响曲线（c）带通滤波器频响曲线 （d）带阻滤波器频响曲线图2.2 滤波器的频响曲线3、在滤波器中，通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性12。即 （2.1）式中，pin和pl分别为输出端匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率。为了描述衰减特性与频率的相关性，通常使用数学多项式逼近方法来描述滤波器的特性。滤波器的设计通常需要由衰减特性综合出滤波器低通原型，再将原型低通滤波器转换到要求设计的低通、高通、带通、带阻滤波器，最后用集总参数元器件实现所涉及的滤波器。4、滤波器的主要参数指标13：（1）中心频率：一般，。其中，、为带通或带阻滤波器左右相对下降3db处对应的左右频点。（2）截止频率、：低通滤波器的通带右边的边频点及高通滤波器的通带左边的边频点。（3）通带带宽bw3db：需要通过的频谱宽度，。（4）相对带宽：用表示，也常用来表征滤波器的通带带宽。（5）插入损耗：引入滤波器对输入信号带来的损耗。常以中心频率或截止频率处损耗表征。（6）带内波动：通带内的插入损耗随频率变化的波动值。（7）回波损耗：端口信号输入功率与反射功率之比的分贝数。（8）延迟：信号通过滤波器所需要的时间。2.1.2 低通滤波器的设计指标1、具有最平坦的响应2、截止频率为2.5mhz3、在为4mhz处的插入损耗必须大于20db4、阻抗为50欧，采用6阶巴特沃兹低通原型14，最高实际线阻抗为120欧，最低实际线阻抗为20欧，采用的基片参数为d=1.58mm，铜导体的厚度t=0.035mm。2.1.3 低通原型滤波器的设计1、先计算： (2.2)对于n=6的曲线，当时，la20db。故最大平坦滤波器级数n=6。2、低通原型值：g1=0.5176,g2=1.4142,g3=0.9318,g4=0.9318,g5=1.4142，g6=0.5176。该低通原型电路如下图：图2.3 滤波器低通原型电路2.2 低通滤波器原理图设计1、设计原理图选择8个微带线mlin添加到原理图中，并链接起来。图2.4 滤波器原理图这样就完成了滤波器原理图基本结构，为了达到设计性能，还必须对滤波器中微带电路的电气参数和尺寸进行设置。2、电路参数设置： 图2.5 msub参数 图2.6 var参数参数显示窗口包含了物理尺寸参数设置栏和电尺寸参数设置栏。如果电尺寸数据确定，则单击synthesize按钮可得到物理尺寸；如果物理尺寸数据确定，则单击analyze按钮可得到电尺寸参数。3、电尺寸参数：z0=50ohm，表示微带线特性阻抗为50ohme_eff=90deg，表示微带线的电长度为90deg表1 各枝节的宽度和长度节数gizi=zl或zh（）li(度)wi（mm）li（mm）1150903.08716.6920.5172011.811.32.0531.41412033.80.4286.6341.9322044.311.37.6951.93212046.10.4289.0461.4142032.411.35.6370.51712012.30.4282.418150903.08716.694、电路参数设置的原理图：将msub和var放置在原理图上后即可进行参数的修改，这样便完成了电路参数设置的原理图。图2.7 电路参数设置的原理图2.2.1 仿真参数设置和原理图仿真1、仿真参数设置15:(1)在原理图设计窗口选择s参数仿真元器件面板“simulation-s_param”，并选择终端负载term放置在滤波器的两个端口上。(2)在电路原理图中插入两个地，并连接好电路原理图。(3)选择一个s参数仿真控制器放入到原理图中。(4)设置s参数仿真控制器的参数：start=0ghz；stop=5ghz；step=0.01ghz。图2.8 完成s参数仿真设置的原理图窗口以上为低通原型滤波器的设计16，此设计共放置八个mlin节，在原理图中应注意有关于参数的设置，注意两端term下均有一个接地。因为其他滤波器都是由低通滤波器转化过来的，所以接下来就可以以低通原型滤波器为原型设计一个平行微带耦合滤波器。2.2.2 原理图仿真根据设计进行s参数的仿真，等仿真结束后在数据窗口添加s21参数的矩形图，并插入一个标记，然后添加s11参数的矩形图，插入一个标记。图2.9 滤波器的s21、s11参数曲线第三章 平行微带耦合滤波器的设计3.1 传输线理论3.1.1 微带线的结构及传输模式微带线主要由三部分组成：最上面是宽度为w，高度为t的导带体，下层是接地板，制作底层接地板的材料一般釆用(如银、金、铜)这些导电性能比较的金属材料良好的材料,中间部分用介质基板填充，这种填充介质的介电常数为，接地板的厚度用h表示。图3.1 微带线结构3.1.2 耦合微带线及其传输模式上面已经对微带线做了详细的阐述17，在微波电路中，平行耦合线就是在微带线中加一条与原来微带线一样并且平行的导带。平行耦合微带线的作用非常多，例如组成振荡回路、偏置电路、定向耦合器等基础的元器件18，还能够根据它的特性组成类型不同、形状不同、结构不同的滤波器。耦合微带线由以下三部分构成：上面是两条平行的金属导带，宽均为w，高度为t，两条金属导带的距离为s，下层是接地板,制作底层接地板的材料一般采用(如银、金、铜)这些导电性能比较的金属材料良好的材料，中间部分用介质基板填充，这种填充介质的介电常数为 ,接地板的厚度用h表示。图3.2 平行耦合微带线结构3.1.3 传输线的基本特性参数传输线的基本特性参数包括传输线的特性阻抗、反射系数、驻波比、输入阻抗、传输常数和传输功率等等19。微带线是目前射频微波中使用最多最常见的传输线，是平面型结构，在pcb(printed circuit board，印制电路板)上可以通过使用蚀刻电路技术制作，方便与各种射频元器件外连接从而实现不同的电路，可以在一块共有的介质基片上实现完整电路的制作，使射频部件及微波系统向高集成度、小型化方向发展。1、微带线的有效介电常数微带线导体带的上方为空气，下面为介质，然后假设一种微带线，这个微带线全部填充等效介质，为这种等效介质的相对介电常数，等效微带线和现实的微带线有同样的特征阻抗与相速度，这个等效关系由决定微带线的有效相对介电常数的近似计算公式为20： （3.1）式中w表示导体带宽度，h表示介质基板厚度。2、微带线的特性阻抗z0根据上面的，能够获得z0近似计算公式： （3.2）在给定微带线的特性阻抗z0和相对介电常数后，也可以求出w/h的值。w/h值的计算公式为： （3.3）式中：， （3.4） 3、微带线的传输特性微带线的传输模式为准tem模，但是微带下的传输特性按照tem模近似计算。在tem波传输中，波的常数在忽略损耗时，其中，0为自由空间波长，微带线同其他tem类型传输线相同，波的速度同样满足关系式，将代入得到微带线的相速度和波长，。 4微带线的损耗与衰减损耗是传输线的重要传输特性之一，不仅存在于同轴线、波导中，也同样存在于微带线中，并且由于微带线的不封闭结构，微带线的损耗远大于同轴线与波导。微带线除了导体损耗和介质损耗外，还有辐射损耗，微带线的损耗可以用衰减常数来表示。如果忽略辐射损耗，则微带线的衰减常数为，其中，由微带线介质损耗引起，由微带线导体损耗引起。微带线的介质损耗是有节制的漏电导致的，为了减小微带线的介质损耗，可以选择一些导电性能良好的介电质作为基板。对于低损耗介质，微带传输线的介质损耗是： （3.5）式中为损耗角正切。对于比较高的损耗电介质，微带传输线的介质损耗是： （3.6）当电流通过导体条和介质底板是，由于它们都有一定的电导率，所以会产生热量，发生热损耗现象，这一部分就是微带传输线的导体损耗。由于相对于同轴线和波导来说，微带线的横截面比较小，所以散热较慢，那么产生的热量也就越多，造成的损耗也就越大，也是微带传输线导体损耗的最主要部分。故而它的导体损耗由所表示。其中，为导体的电导率。3.2 微带滤波器的技术指标1、通带边界频率与通带内衰减、起伏；2、阻带边界频率与阻带衰减；3、通带的输入电压驻波比；4、通带内相移与群时延；5、寄生通带；6、前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)；7、输入电压驻波比描述了滤波器的反射损耗的大小；8、群时延是指网络的相移随频率的变化率，定义为du/df，群时延为常数时，信号通过网络才不会产生相位失真；9、寄生通带是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的，它是离设计通带一定距离处又出现的通带，设计时要避免阻带内出现寄生通带21。3.3 平行微带耦合滤波器的设计3.3.1 平行耦合微带线带通滤波器的原理在微带低通及带阻滤波电路中，输入端与输出端始终有导带直接连接。但是在带通滤波电路中，微带线不能直接相连，必须通过微带线之间的耦合来使得射频信号通过，阻断低频信号。因此，常用两条想接近的平行微带线来构成带通滤波器。位于同一介质基板上，相距s的一对平行微带线，当两条微带线间的距离s远大于介质厚d时，微带线之间的耦合可以忽略。然而当s可与d相比较时，两微带间的耦合不能忽略，此时会产生耦合电容及互感，根据每根微带线上的终端电压及电流，可以定义偶模电压、偶模电流及奇模电压、奇模电流。通过引入奇偶模，可以方便的建立起基本方程，分别求出相应的奇模阻抗(z0e)及偶模阻抗(z0o)。 图3.3 两条微带线的分布 图3.4 传输线等效电路下图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22。 图3.5 级联微带线带通滤波器、等效电路设计流程：为设计出符合要求的带通滤波器，可以将传统的平行耦合微带线设计方法与先进的微波电路仿真软件ads相结合，使全部设计要求转换成实际的滤波器设计，下图是平行耦合微带线滤波器的设计的流程图。确定滤波器指标计算查表得滤波器级数n确定标准低通滤波器参数计算传输线奇模、偶模特性阻抗利用ads工具计算各级滤波器几何尺寸仿真达到技术指标要求得到最终w，s，l选定板材利用ads优化改w，s，l否是图3.6 平行耦合微带线滤波器的设计的流程图3.3.2 设计指标通带3.03.1ghz；带内衰减小于2db；起伏小于1db；2.8ghz以下及3.3ghz以上衰减大于40db；端口反射系数小于等于-20db。1、根据需要的纹波和衰减，选定切比雪夫或巴特沃斯设计方法。带宽，其中wu为上边频，wl为下边频，w0为中心频率等于。根据带宽指标计算参数。2、再计算传输线的奇模、偶模特性阻抗23。3、根据微带线的奇模和偶模特性阻抗，及给定的pcb板材的介电常数和厚度，应用ads软件的微带线计算器计算得到微带线的几何尺寸：s，w，l。4、接好电路，将计算得到的参数输入进行仿真，由于开路端传输线的等效电容及应用软件进行计算仿真的过程中进行了许多近似计算，结果和目标会有一些偏差，运用相关理论方法进行优化，达到满意的结果。3.3.3 生成滤波器的原理图图3.7 滤波器的原理图1、生成微带电路的基本参数：上页图中五个mcfil表示滤波器的五个耦合线节，两个mlin表示滤波器两端的引出线。2、控件msub的微带线参数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)3.3.4 微带线计算工具1、滤波器两边的引出线是特性阻抗为50欧姆的微带线，它的宽度w可由微带线计算工具得到具体方法是点击菜单栏tools-linecalc-start linecalc24。2、在窗口的substrate parameters栏中填入与msub中相同的微带线参数。3、在component parameters填入中心频率(本文中为3.05ghz)。4、点击synthesize和analyze栏中的箭头，可以进行w、l与z0、e_eff间的相互换算。5、填入50 ohm和90 deg可以算出微带线的线宽1.52 mm和长度13.63 mm(四分之一波长)。图3.8 微带线的计算3.3.5 设置微带器件的参数1、双击两边的引出线tl1、tl2，分别将其宽与长设为1.52 mm和2.5 mm。2、平行耦合线滤波器的结构是对称的，所以五个耦合线节中，第1、5及2、4节微带线长l、宽w和缝隙s的尺寸是相同的。耦合线的这些参数是滤波器设计和优化的主要参数，因此要用变量代替，便于后面修改和优化。3、双击每个耦合线节设置参数，w、s、l分别设为相应的变量，单位mm，其中的w1与w2参数代表该器件左右相邻两侧的微带器件的线宽，它们用来确定器件间的位置关系。在设置w1、w2时，为了让它们显示在原理图上，要把display parameter on schematic的选项勾上。图3.9 设置参数后的原理图3.3.6 添加变量1、单击工具栏上的var图标，把变量控件var放置在原理图上，双击该图标弹出变量设置窗口，依次添加各耦合线节的w，l，s参数。2、在name栏中填变量名称，variable value栏中填变量的初值，点击add添加变量，然后单击optimization/statistics setup按钮设置变量的取值范围，其中的enabled/disabled表示该变量是否能被优化。3、耦合线节的长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)，微带线和缝隙的宽度最窄只能取0.2 mm(最好取0.5 mm以上)。图3.10 变量设置3.3.7 s参数仿真电路设置1、选择term放置在滤波器两边，用来定义端口1和2，点击地图标，放置两个地，并按照图连接好电路。2、选择s参数扫描控件放置在原理图中，并设置扫描的频率范围和步长，频率范围根据滤波器的指标确定(要包含通带和阻带的频率范围)。图3.11 s参数仿真电路3、根据设计进行s参数的仿真，等仿真结束后在数据窗口添加s21参数的矩形图，并插入一个标记，然后添加s11参数的矩形图，插入一个标记。图3.12 s参数仿真图第四章 电路优化4.1 优化目标控件在对滤波器的仿真结果，在数据显示窗口中，观察哪个技术指标没有达到要求，滤波器的中心频率以及通带、租代内的衰减如果没有达到工程设计的要求就选择s11（s22）参数作为优化对象，如果带内驻波没有达到要求，就选择s11（s22）参数作为优化对象。s11（s22）参数表示的是输入输出端口的反射系数，输入输出端的电压驻波比也可以通过对s11（s22）参数的换算得到25。倘若反射系数s11（s22)太大，那就表示滤波器的反射损耗太大，从而导致系统的前、后匹配程度比较差，系统性能也受到严重影响而随之下降。1、选择优化设置控件放置在原理图中，双击该控件设置优化方法及优化次数。2、常用的优化方法有random(随机)、gradient(梯度)等26。3、随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛。4、选择优化目标控件goal放置在原理图中，双击该控件设置其参数。expr是优化目标名称，其中db(s(2,1)表示以db为单位的s21参数的值；simlnstancename是仿真控件名称，这里选择sp1；min和max是优化目标的最小与最大值；weight是指优化目标的权重；rangevar1是优化目标所依赖的变量，这里为频率freq；rangemin1和rangemax1是上述变量的变化范围。5、这里总共设置了四个优化目标，前三个的优化参数都是s21，用来设定滤波器的通带和阻带的频率范围及衰减情况(这里要求通带衰减小2db，阻带衰减大于40db)，最后一个的优化参数是s11，用来设定通带内的反射系数(这里要求小于-20db)。图4.1 4个优化目标6、在优化目标控件goal中，应注意控件的min值和max值的范围，在第一个goal控件中的min值为-2，中间两个goal控件中max值为-40，第四个goal控件中max值为-20。图4.2 参数优化后原理图7、将所有的参数进行优化后保存一下，注意对参数进行的修改。在原理图设计窗口中选择的优化设置控件optim中参数的填写都必须认真、仔细，注意不要出错。4.2 参数优化1、点击工具栏中的simulate按钮就开始进行优化仿真。其中的currentef表示与优化目标的偏差，数值越小表示越接近优化目标，0表示达到了优化目标，下面还列出了各优化变量的值，当优化结束时还会打开图形显示窗口。2、在一次优化完成后，要点击原理图窗口菜单中的simulate-update optimization values保存优化后的变量值(在var控件上可以看到变量的当前值)，否则优化后的值将不保存。图4.3 优化目标3、图为经过数次优化后，currentef的值为0，即为优化结束。优化过程中根据情况可能会对优化目标、优化变量的取值范围、优化方法及次数进行适当的调整。4.3 观察仿真曲线4.3.1 原理图1、优化完成后必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。方法是点击原理图工具栏中的deactivate or activate components按钮，然后点击优化控件optim，则控件上打了红叉表示已经被关掉27。2、要想使控件重新开启，只需点击工具栏中的按钮，然后点击要开启的控件，则控件上的红叉消失，功能也重新恢复了。3、对于原理图上其他的部件，如果想使其关闭或开启，也可以采取同样的方法。图4.4 关掉的优化控件后的原理图4.3.2 原理图的仿真1、关掉优化控件后的原理图就可以进行仿真了28，点击工具栏中的simulate按钮进行仿真，仿真结束后会出现图形显示窗口。2、点击图形显示窗口左侧工具栏中的矩形框按钮，放置一个方框到图形窗口中，这时会弹出一个设置窗口，在窗口左侧的列表里选择s(1,1)即s11参数，点击add按钮会弹出一个窗口设置单位(这里选择db)，点击两次ok后，图形窗口中显示出s11随频率变化的曲线。3、用同样的方法依次加入s22，s21，s12的曲线，由于滤波器的对称结构，s11与s22，以及s21与s12曲线是相同的。图4.5 优化后仿真曲线4、为了准确读出曲线上的值，可以添加marker，方法是点击菜单中的marker - new，出现instert marker的窗口，接着点击要添加marker的曲线，曲线上出现一个倒三角标志，点击拖动此标志，可以看到曲线上各点的数值。5、观察s11(s22)和s21 (s12)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29。4.3.3 平行耦合型滤波器的最终设计参数1、通过上面的设计步骤，出的平行耦合微带滤波器的最终物理参数线宽w、间距s以及耦合微带线的长度l。表2 平行耦合微带滤波器的物理参数tl1clin1clin2clin3clin4clin5tl2w1.520.4365820.3772510.5880250.3772510.4365821.52s0.6654431.880282.081751.880280.665443l2.514.225913.818114.052113.818114.22592.52、分析得到设计的滤波器离设计指标有一点的差距。造成误差的原因可能有以下几点：(1)微带线的尺寸比较小，一般使用mm计量，在设计过程中取到了小数点后4位，但是在实际制作过程中是不可能实现小数点后4位的取值的，对尺寸取了近似值，过多的取近似值会造成大的误差，所以造成了结果中误差的产生。(2)材料参数会随着周围环境的变化而变化，不同的介电常数对滤波器的性能有一定的影响。(3)矢量网络分析仪的端口与微带线的端口的阻抗可能不匹配，这样也会对滤波器的性能产生影响30。以上的原因均会对滤波器的性能有一定的影响，所以在设计、制作、测试过程中都需要认真谨慎的处理，使误差尽量的降低。从优化仿真结果来看，虽然与理论存在一定的偏差，但此次仿真的结果还是比较满意的。结论本论文主要介绍了滤波器的背景、历史及意义，对滤波器有了一个基本的了解，知道了滤波器主要有低通、高通、带通、带阻等滤波器。其他滤波器都可以由低通滤波器转化而来。并且对滤波器的几种仿真软件进行了比较，选择出了基于ads软件的基础上对微带耦合滤波器进行设计为最佳方案。经过研究微带带通滤波器，从归一化低通滤波器出发,详细论述了滤波器的设计原理，并根据滤波器的设计原理，阐述了平行耦合线带通滤波器的工作原理和设计过程。使用美国安捷伦公司的ads软件设计仿真平行耦合型滤波器。在论文中给出了一个中心频率在3.05ghz；2.8ghz以下及3.3ghz以上衰减大于40db；起伏小于1db；端口反射系数小于等于-20db的带通滤波器设计实例。根据给定的滤波器技术指标，确定滤波器类型、结构和最佳级数。按照设计要求利用射频和微波设计软件ads(先进设计系统)对带外抑制和插入损耗进行优化设计,从而达到要求的插损、带内波纹和理想的带外抑制特性。通过这次课题的研究和实验我们发现，采取ads软件设计滤波器的方法有其优势优点，也有其缺点与不足。利用ads设计滤波器的方法，在设计刚开始的时候就对滤波器的模型进行了假设，只是考虑了相邻谐振器之间的耦合关系，没有考虑在一定的范围内的微带线之间的耦合关系，这样的简化方法在计算时是非常简便的，但是却给设计带来了一定的误差。并且在仿真结果上也产生了一些的误差。产生这些误差的原因主要是因为在计算奇模、偶模特性阻抗取了近似值，软件仿真过程中及结果输出时都取了数据的近似值，多次的近似取值，就会产生与真实值大的差距，致使结果出现出现大的出入，因此要对微带线的各个物理尺寸调大或者调小，这就需要利用ads软件的自动优化功能对微带线的各个尺寸进行优化。自动优化功能是ads软件的一个很大的优点，因为有了这样的功能，设计师们能够方便简单地设计滤波器，大大缩短了滤波器的