ads设计的滤波器

1、1 课题背景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0.8-1.0GHz，全球GSM频段分为4段，即850/900/1800/1900MHz。在宽带移动化方面，IEEE802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IEEE802.1b/g(2.4-2.5GHz)和IEEE802.11a(5.2-5.8GHz)。为了在移动环境下实现宽带数据传输，IEEE802.16WiMAX成了宽带移动的主要里程碑，促进了移

2、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WiMAX的全球性统一无线电频段。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的关键之一。 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。平行耦合微带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，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，它是一种常用的分布参数带通滤波器。当两个无屏蔽的传输

3、线紧靠一起时， 由于传输线之间电磁场的相互作用， 在传输线之间会有功率耦合， 这种传输线称之为耦合传输线。根据传输线理论， 每条单独的微带线都等价为小段串联电感和小段并联电容。每条微带线的特性阻抗为Z0， 相互耦合的部分长度为L， 微带线的宽度为W， 微带线之间的距离为S， 偶模特性阻抗为Z e， 奇模特性阻抗为Z0。单个微带线单元虽然具有滤波特性， 但其不能提供陡峭的通带到阻带的过渡。如果将多个单元级联， 级联后的网络可以具有良好的滤波特性。如图1.1所示。图1.1 级联后的传输线微带线滤波器具有重量轻、频带宽、结构紧凑和易于集成等特点，广泛应用于各种微波通电路中。传统的设计方法是通过经验公

4、式和查表来求得相关设计参数，方法复杂烦琐，精度不高，性能指标不尽如人意。近年来，随着微波电路辅助设计软件的不断发展，微带线滤波器的设计也进入了一个崭新的阶段。计算机模拟辅助设计可以绕开复杂的理论计算和推导，利用电磁场仿真软件进行微带线滤波器的设计。 近年来, 微波电路计算机辅助设计软件的应用越来越广泛, Agilent 公司的高级设计系统(Advanced DesignSystemADS)软件就是其中的佼佼者, 它也是国内各大学和研究所在微波电路和通信系统仿真方面使用最多的软件之一。ADS仿真设计软件可以模拟整个信号通路，完成从电路到系统的各级仿真。它把广泛的经过验证的射频、混合信号和电磁设计

5、工具集成到一个灵活的环境中，包括从原理图到PCB板图的各级仿真，当任何一级仿真结果不理想时，都可以回到原理图中重新进行优化，并进行再次仿真，直到仿真结果满意为止，保证了实际电路与仿真电路的一致性。2 设计过程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，在微波工程中应用广泛。带通滤波器的设计的流程图如图2.1所示。确定滤波器指标开始计算查表得滤波器阶数N确定标准低通滤波器参数计算每节奇偶膜的特性阻抗利用ADS工具计算各节耦合线几何尺寸原理图绘制利用ADS进行仿真得到波形是否达到技术指标得到最终W、S、L利用ADS优化W、L、

6、S结束YN图2.1 设计流程图2.1 原型滤波器的元件值的归一化及其计算带通滤波器的设计通常先把带通滤波器频率取归一化，参考频率一般取带通滤波器的频带宽度，从而寻找相应的低通模型设计出符合设计参数要求的低通滤波器，再进行频率和元件变换得到相应的带通滤波器。（1）根据需要的的滤波器通带和阻带衰减，选择低通滤波器原型，由此确定滤波器的阶数N，然后选取低通滤波器原型参数。（2）确定上、下边频和归一化带宽。假设下边频为w1,上边频为w2，中心频率为w0,归一化带宽为，= 其中本设计中w2=26GHz，w1=24GHZ， w0=25GHZ = =0.08（3）计算耦合微带线各节偶膜和奇膜的特性阻抗。 平

7、行耦合微带线的偶膜特性阻抗和奇膜特性阻抗为经过计算，平行耦合微带线带通滤波器为3阶，即需要4节耦合微带线级联。同时波纹为0.5dB的切比雪夫滤波器元件参数表如表2.2所示。表2.2 0.5dB的切比雪夫滤波器元件参数表得到=1.5963，=1.0967，=1.5963波纹为0.5dB的切比雪夫滤波器阻带衰减特性图如图2.3所示。图2.3 0.5dB的切比雪夫滤波器阻带衰减特性图由于=1.5963，=1.0967，=1.5963经过计算得到各节奇偶特性阻抗数值（单位为欧姆）如表2.4所示。第一节第二节第三节第四节偶膜阻抗67.9655.2067.9655.20奇膜阻抗39.9145.7039.9

8、145.70表2.4 奇偶特性阻抗数值2.2 原理图的绘制（1） 创建项目（2） 创建原理图（3） 利用ADS的计算工具TOOLS完成对平行耦合微带线的计算在【LineCalc】计算窗口中将Type项选择为MLIN，输入的基板参数为H:基板厚度（1mm）Er:基板相对介电常数（2.7）Mur:磁导率（1）Cond:金属电导率（5.8e+7）Hu:封装高度（1.0e+33mm）T:金属层厚度（0.05mm）Tand:损耗角正切(0.0003)Roungh:表面粗糙度(0mm)然后输入中心频率为25GHz,特性阻抗Z0为50Ohm，相位延迟E_Eff为90，计算出微带线的线宽W=3.mm,长度L=

9、1.mm。继续使用【LineCalc】计算窗口进行计算，将Type项选择为MCLIN，输入奇膜和偶膜的特性阻抗，计算出微带线导体带的宽度W，间隔S，微带线的长度L，如表2.5所示。CL1CL2CL3CL4W2.mm2.mm2.mm2.mmS0.mm1.mm1.mm0.mmL1.mm1.mm1.mm1.mm表2.5 微带线导体带的宽度W，间隔S，微带线的长度L数值（4）设计原理图首先建立滤波器的主要结构，即4个平行耦合微带线，再选择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2.6所示。图2

10、.6 原理图2.3 原理图仿真及优化（1）点击仿真按钮，得到的仿真图如图2.7所示。图2.7 仿真图从图中可以看出来，中心频率25GHz出现了明显的偏移现象，并且频率在26GHz时衰减超过3 。这是由于在设计平行耦合微带带通滤波器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以及优化控制器参数。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，便于修改和优化。（2）优化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，并且同时在元件面板列表中选择4个优化目标控件，如图2.8所示。图2.8 优化控件以及优化目标优化设计完成后的原理图如图2.9所

11、示。图2.9 优化之后原理图如果一次优化不能满足技术指标的要求，则需要修改变量的取值范围，重新进行优化，直到满足要求为止。点击仿真按钮，得到的仿真图如图2.10所示。图2.10 仿真图可以从仿真信息窗口得到符合要求的滤波器的各参数的确定值如图2.11所示。 图2.11 优化之后各参数优化仿真后，观察反射系数S11 和传输系数 S21这两条曲线，滤波器的中心频率为25GHz,滤波器的通带为24GHz-26GHz,在通带范围内衰减在3 以内，并且滤波器在中心频率25GHz反射系数衰减是最大。从而说明优化的滤波器已经达到设计指标的要求，设计成功。3 心得体会刚拿到这个project的时候，一头雾水，

12、MATLAB,ADS,HFSS这三个软件，本科阶段都没有学习过，所以刚开始感觉困难。我就向舍友寻求帮助，正好有个舍友本科的毕业设计是用MATLAB设计的滤波器，她让我参考吴镇扬老师编写的数字信号处理里面设计滤波器的程序，结果最后只能编写出来传输系数这条曲线。准备换成HFSS试试，就到图书馆借了几本参考书，照着书上的例题，设计了一个交叉耦合滤波器，在设计这个交叉耦合滤波器的过程中学到了好多以前没有接触到的知识，感觉非常开心。后来同学介绍用ADS设计滤波器容易些，于是到图书馆借了几本相关参考书，首先照着上面的例题设计滤波器。最后终于完成了符合技术指标的滤波器。在设计过程中，出现了两个主要问题，第一个就是计算奇偶膜特性阻抗的时候，中心频率忘记修改了，最后把中心频率修改为25GHz,就可以正确计算出奇偶膜的特性阻抗。第二个问题是优化的时候没有设计变量的范围，一直提示错误。最后通过看书和请教同学查出了错误原因，设计出变量的范围，优化成功了。通过这次课题设计，使我不仅学到了通信专业相关知识，更重要的是掌握