实验四_微波射频带通滤波器设计

1、实验四 射频滤波器设计、仿真、制作与测试,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,2,一、滤波器原理,如图所示的双端口网络, 设从一个端口输入一具有均匀功率谱的信号,信号通过网络后,在另一端口的负载上吸收的功率谱不再是均匀的,也就是说,网络具有频率选择性,这便是一个滤波器。,通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性：,Pin和PL分别为输出端接匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率。,1.1 滤波器的概念,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,3,低通,带阻,高通,带通,2020/11/1,MW & Opti. Comm

2、u. Lab, XJTU,4,三种滤波器函数,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,5,1.2 滤波器的技术指标,（1）工作频率：滤波器的工作频率范围 （2） 插入损耗：由于滤波器的介入,在系统内引入的损耗 （3） 带内纹波：插入损耗的波动范围 （4） 带外抑制:规定滤波器在什么频率上会阻断信号,是滤波器特性的矩形度的一种描述方式。也可用带外滚降来描述,就是规定滤波器通带外每多少频率下降多少分贝。 （5）承受功率：在大功率发射机末端使用的滤波器要按大功率设计,元件体积要大,否则,会击穿打火,发射功率急剧下降。,2020/11/1,MW & Opti. Co

3、mmu. Lab, XJTU,6,1.3 滤波器的设计的经典方法,低通原型综合法步骤： （1）由衰减特性综合出低通原型 （2）再进行频率变换，变换成所设计的滤波器类型 （3）计算滤波器电路元件值 （4）微波结构实现电路元件，并用微波微波仿真软件进行优化仿真。,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,7,1.4 滤波器的低通原型,滤波器低通原型为电感电容网络, 其中元件数和元件值只与通带结束频率、 衰减和阻带起始频率、 衰减有关。设计中都采用表格而不用繁杂的计算公式。,巴特沃士、 切比雪夫的低通原型电路结构,2020/11/1,MW & Opti. Commu

4、. Lab, XJTU,8,1. 巴特沃士：已知带边衰减为3dB处的归一化频率c=1、截止衰减LAs和归一化截止频率s,则元件数n由下式给出,元件值由下表给出。,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9,2. 切比雪夫，已知带内衰减与波纹指标LAr、归一化频率c=1、截止衰减LAs和归一化截止频率s,则元件数n由下式给出,元件值由下表给出。,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,10,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,11,1.5 滤波器的四种频率变换,由低通原型滤波器经过频率

5、变换,就可得到低通、 高通、带通、带阻四种实用滤波器。定义阻抗因子为,低通变换：,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,12,高通变换：,带通变换：,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,13,带阻变换：,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,14,例：设计一个L-C切比雪夫型低通滤波器,截止频率为75 MHz,衰减为3 dB,波纹为 1dB, 频率大于100 MHz,衰减大于20 dB，Z0=50。,二、集总参数滤波器,（1） 确定指标: 特性阻抗Z0=50, 截止频率fc=75

6、MHz, 阻带边频fs=100MHz,通带最大衰减LAr=3dB,阻带最小衰减LAs=20dB。,（2） 计算元件级数n：,n取最接近的整数,则n=5,（3）查表求原型元件值gi,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,15,低通变换：,（4）计算实际元件值,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,16,（5）画出电路结构，进行电路仿真,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,17,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,18,例2：设计一个L-C切比

7、雪夫型带通滤波器,中心频率为75 MHz, 3dB带宽为10MHz, 波纹为1dB, 工作频带外7515MHz的衰减大于30dB, Z0=50。,（1） 确定指标: 特性阻抗Z0=50, 截止频率fc=75MHz, 阻带边频fs=100MHz,通带最大衰减LAr=3dB,阻带最小衰减LAs=20dB。,特性阻抗： Z0=50 上通带边频： f1=75+5=80 MHz 下通带边频： f2=75-5=70 MHz 上阻带边频： f=75+15=90 MHz 下阻带边频： f=75-15=60MHz 通带内最大衰减： LAr=3dB 阻带最小衰减 ： LAs=30dB,（2）计算相关参数,2020

8、/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,19,（3） 计算元件节数n,n取整数3,（4） 查表得原型元件值gi,（5） 带通变换,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,20,（6） 画出电路，进行仿真,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,21,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,22,三、分布参数滤波器,高 、 低阻抗线低通滤波器,枝节线低通滤波器,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,23,七节切比雪夫滤波器,

9、2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,24,三节端耦合微带带通滤波器,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,25,平行耦合谐振单元带通滤波器,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,26,发卡式带通滤波器,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,27,同轴腔体低通滤波器,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,28,多层左右手复合传输线滤波器,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJ

10、TU,29,例：设计一个三阶微带低通滤波器, 截止频率f1=1GHz, 通带波纹为0.1dB,阻抗Z0=50。,（1）三节低通原型元件值为 g0=g4=1, g1=g3=1.0316, g2=1.1474。,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,30,（2）进行低通变换,（3） 微带实现，微带高低阻抗线。高阻抗线近似于电感,低阻抗线近似于电容。取高、低阻抗线的特性阻抗分别为Z0L=93, Z0C=24。 ,微带基板参数： 相对介电常数：10.8 板材厚度：1.27mm 用ADS微带线计算工具计算微带线的参数。,2020/11/1,MW & Opti. Co

11、mmu. Lab, XJTU,31,高、 低阻抗线的物理长度可以由以下公式得到：,上式中没有考虑低阻抗线的串联电抗和高阻抗线的并联电纳。考虑这些因素的影响,高、低阻抗线的长度可调整为：,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,32,（4）建模仿真,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,33,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,34,作业：对下面结构的微带枝节低通滤波器的两种设计进行原理图和版图仿真，并分析其特性。,考虑终端效应的终端开路微带分支线控件：,微带线控件：,2020/11

12、/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,35,例：设计一平行耦合线带通滤波器，其设计指标为：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-20dB。,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,36,（1）打开ADS，建立工程,（2）生成原理图,在原理图设计窗口中选择微带电路的工具栏,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,37,在工具栏中选择耦合线Mcfil 、微带线MLIN 以及控件MSUB 分别放置在绘图区中，选择画

13、线工具 将电路连接好.,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,38,（3）设置微带电路的基本参数,双击图上的控件MSUB设置微带线参数 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),2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,39,（4）用微带线计算工具计算50ohm、四分之一波长微带宽度和长度,202

14、0/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,40,（5）设置微带器件的参数,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(其中线长只是暂定，以后制作版图时还会修改)。 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。 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，

15、为了让它们显示在原理图上，要把Display parameter on schematic的选项勾上。,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,41,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,42,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,43,（6）添加变量,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。 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Opti

16、mization/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（见下页图）。 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)。,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,44,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,45,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,46,（7）S参数仿真电路设置,2020/11/1,MW & Opti.

17、 Commu. Lab, XJTU,47,（7）优化目标的设置,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,48,优化方式控件Optim设置,OptimGoal1设置,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,49,OptimGoal2设置,OptimGoal3设置,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,50,OptimGoal4设置,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,51,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,

18、52,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,53,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,54,设置完优化目标后最好先把原理图存储一下，然后就可以进行参数优化了。 点击工具栏中的Simulate 按钮就开始进行优化仿真了。在优化过程中会打开一个状态窗口显示优化的结果，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。 在一次优化完成后，要点击原理图窗口菜单中的Simulate - Update Optimizati

19、on 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。 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。,（7）进行参数优化,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,55,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,56,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 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。 点击工具栏中的Simu

20、late按钮进行仿真，仿真结束后会出现图形显示窗口。,（7）观察仿真曲线,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,57,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,58,（8）生成版图,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,59,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,60,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,61,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,62,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,63,2020/11/1,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,64,作业：设计一平行耦合线带通滤波器，其设计指标为：通带2.42.5GHz，带内衰减小于2dB，起伏小于1dB，2.3GHz以下及2.7GHz以上衰减大于40dB，端口反射系数小于-20dB。 板材参数： H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相对介电常数(2.65) 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(0.035 mm) TanD:损耗角