实验二：微波滤波器的设计与仿真

1、实验二：微波滤波器的设计与仿真ONE、实验步骤、仿真结果分析及优化 一：利用传统方法设计集总参数滤波器 电感，电容形成的滤波器成为集总参数滤波器，结合ADS设计切比雪夫低通滤波器。1、 低通滤波器设计与仿真设计LC切比雪夫型低通滤波器，截止频率为75MHz，衰减为3dB,波纹为1dB，频率大于100MHz，衰减大于20dB，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=20dB。2） 计算元件级数 将上述值代入式，的原件级数n=5。3） 确定元件值（1） 查表10-2，求原型元件值。（2） 计算变换后元件值，将这些值取整，见

2、表10-3。 4）利用ADS仿真 （1）创建新项目。 启动ADS2008->选择Main windows。如下图： 执行菜单命令【File】/【New Project】，按照提示选择项目保存的路径和输入的文件名。 单击按钮，创建新项目。 单击，新建电路原理图窗口，开始设计滤波器。 （2）电路设计。 在“TLime-Microstrip”类中选择控件->双击编辑其属性，如图3所示。 图3图4 在“Lumped-Components”类中分别选择控件、 ->“Simulation-S_Param”中粉分别选择控件、->单击接地图标->放置两个地->双击，修改属性

3、，如图4所示，要求仿真频率从0MHz到100MHz，扫描步长为1.0MHz。低通滤波器仿真电路原理图如图5所示。图5 （3）仿真结果输出。 单击按钮，进行仿真，仿真结束后会出现数据显示窗口。 单击数据显示窗口左侧工具栏的按钮，弹出设置窗口->在窗口左侧的列表选择S（1,1）即S11参数->单击按钮，弹出单位设置（这里选择“dB”）窗口，如图6所示->单击两次按钮后，窗口显示出S11参数随频率变化的曲线如图7所示。 图6 图7用同样的方法一次加入S22、S21、S12参数曲线。由于该滤波器是对称结构，S11与S22，以及S21，S12曲线相同，如图7。二：利用ADS工具设计集总

4、参数滤波器ADS自带滤波器设计工作，利用这个滤波器设计工具可以方便的设计出满足要求的射频滤波器。设计一个低通滤波器，通带带宽为200MHz，阻带带宽为1.2GHz,带内文波系数小于0.1dB,s=输入阻抗为50。1、 滤波器电路的生成（1）创建一个项目。 启动ADS选择Main windows 执行菜单命令【File】/【New Project】，按照提示选择项目保存的路径和输入的文件名。 单击按钮，创建新项目。 单击，新建电路原理图窗口，开始设计滤波器。（2） 确认该原理图是当前屏幕唯一打开的原理图，如果还有其他原理图打开，应先将它们关掉。（3） 执行菜单命令【Design Guide】/【

5、Filter】，系统将弹出一个名为“名为Filter： 4”的窗口，如图8所示。（4） 在“Filter： 4”窗口中选择“Filter Control Window.”->单击按钮系统将弹出“Filter DesignGuide”的窗口，如图9所示。图8图9（5） 单击工具栏的【Component Palette-All】按钮，在刚刚建立的原理图中将出现新的组件面板“Filter DG-All”，如图10所示，这个组件面板中列出了滤波器设计向导中的各种滤波器类型。（6） 在“Filter DG-All”组件面板中选择双端口低通滤波器（Low-pass Filter DT）控件，这时系统

6、将弹出提示窗口，如图11所示。（7） 单击按钮，将选择的双端口低通滤波器插入到原理图中，按“Esc”键结束命令。插入的双端口低通滤波器如图12所示。 图12 图10 图11 重新回到滤波器设计向导窗口->选择“Filter Assistant”选项卡，可以看到滤波器设计向导窗口中出现了一个带有滤波器参数设置和滤波器幅频曲线的参数设置窗口，如图13所示。在“Smart Component”项中已经出现了刚刚插入原理图中的低通滤波器DA_LCLowpassDT1。图13（9） 在滤波器设计向导窗口中，输入滤波器的3个详细特征参数： Ap（dB）=0.1，表示滤波器的波纹系数为0.1 Fp=0

7、.2GHz，表示滤波器的通带带宽为0.2GHz Fs=1.2GHz，表示滤波器的阻带带宽为1.2GHz（10） 改变“Response Type”项内容，单击“Redraw”按钮，可以看到滤波器的响应曲线发生了变化，如图14所示（11） 为了达到不同的滤波器设计效果，可以在“Response Type”中选择响应曲线的其他类型，如选择切比雪夫响应，滤波器响应曲线将发生变化，如图15 图14 巴特沃斯滤波器 图15 切比雪夫滤波器（12） 把“Response Type”中的选项选择为“Maximally Flat”->单击“Design”按钮开始滤波器的设计。系统将自动设计一个集总参数的

8、滤波器。（13） 这是返回原理图中，可以发现组件已经已经具有刚刚配置的滤波器的特性->双击滤波器组件，可以观察滤波器参数，如图16所示。（14） 选择“Display parameter on schematic”项，将滤波器的所有参数都显现出来，如图17所示。图16图17（15） 查看系统为这个滤波器设计的具体电路，可以首先选择滤波器组件->在工具栏中单击按钮得到滤波器的子电路如图18所示，可以看见，这个滤波器是由两个电容和一个电感组成的形结构。还可以观察组成滤波器的各个集总参数元件的值。 图18这样，利用ADS自带的滤波器设计向导完成了规定的参数滤波器的设计，下面验证滤波器的参

9、数是否能达到指标要求。2、 滤波器的仿真（1） 选择“Simulation-S_Param”类，把仿真器、“Term”放置到原理图中->单击图标->放置两个地->双击，修改属性，要求扫描频率从0GHz到1.3GHz，步长设为10MHz，滤波器仿真电路如图19所示。图19（2） 单击工具栏按钮进行仿真，仿真结束后会出现数据显示窗口。（3） 单击数据显示窗口左侧工具栏按钮，弹出设置窗口->在窗口左侧的列表里选择S（2,1）即S21参数->单击按钮，弹出单位（选择dB）设置窗口>单击两次按钮->窗口显示出S21参数书频率变化的曲线，如图20所示。图20（4）

10、 执行菜单命令【Maker】/【New】，出现“Insert Make”窗口->单击要添加Maker曲线->曲线上出现一个倒三角标志->单击并拖动此标志，可以看到曲线上各点的数值。在S21曲线中添加m3标志，移动m1，可以发现滤波器在800MHz初的S21参数接近阻带衰减-20dB，这满足了设计的要求。同时，添加m1在100MHa处的通带内损耗为-0.002dB，同样满足设计要求。3、 分布参数滤波器的设计 设计平行耦合微带滤波器，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,反射系数小于-20dB。（1） 创

11、将项目 同以上两个实验一样，此略。（2） 在“Tline-Microstrip”类中选择控件->双击编辑其中的属性->选择微带传输线控件->选择耦合线控件->按照图21所示链接电路图。图21（3） 滤波器两边是特性阻抗为50的微带线。执行菜单命令【Tools】/【LineCale】/【Start LineCale】->出现微带线计算工具->计算Z0=50微带线宽度W=1.52mm。（4） 双击两边的引出线TL1，TL2，分别将其宽度W，L分别设为1.52mm和2.5mm，其中线长L只是暂时的，制作版图还会修改。（5） 双击每个耦合器设置参数，W,S,L分别设

12、置为相应的变量，单位mm，如图22图22所有元件都设置完成，如图23图23（8） 单击图标，在原理图中放置变量VAR控件，双击图标弹出设置窗口，依次添加各参数，如图24所示。图24 在“Name”栏中输入变量名称->“Variable Value”栏中输入变数的初值->单击【Add】按钮添加变量。单击按钮，弹出如图24所示菜单->选择【Optimization】选项卡->设置变量的取值范围“Enabled/Disabled”表示该变量能否被优化。（9） 在“Simulation-S_Param”类中，把仿真器和“Term”放在原理适当位置->单击图标->放置

13、两个地->双击，修改属性，要求扫描步长为10MHz，滤波器仿真电路，如图25所示。图252、 电路优化及仿真。 在“Optim/Start/Yield/DOE”类中选择控件->放置到原理图中->双击修改属性，如图26所示。图26 选择控件->放置在原理图中->双击该控件设置其参数，如图27所示。共设置4个优化目标控件。图27 优化目标设置后，滤波器电路如图28所示。图28 保存文档。（2） 电路仿真 单击按钮->开始优化仿真->经过数次优化后，优化结束后必须保存优化结果，如图29所示，优化的部分结果如图30所示。图29图30 由图30可知，可观察到S1

14、1（S22）、S21（S12）是达到技术指标的，即小于1dB的要求。 单击按钮->单击优化控件OPTIM,则控件上打了红叉表示被关掉，关闭优化控件后的电路如图31所示。图31 单击按钮->进行仿真，仿真结果后会出现数据显示窗口。如图32图323、 版图生成及仿真（1） 将原理图生成版图前，使用工具栏按钮->关闭S参数仿真的两个“Term”及接地。（2） 执行菜单命令【Layout】/【Generate/Update Layout】,弹出设置窗口，如图33所示。 图33（3）单击阿牛->出现如图34所示窗口->单击按钮->会打开显示版图窗口，生成版图，如图35

15、所示。图34图35（4） 版图生成后，先要设置微带电路的基本参数（即原理图中MSUB里的参数）。执行菜单命令【Moentum】/【Subtrate】/【Update From Schematic】，从原理图中获得MSUB参数。 执行菜单命令【Momentum】/【Subtrate】/【Create/Modify】，可以修改这些参数，如图36所示。图36（5） 单击“Port”按钮->弹出“Port”设置窗口->单击按钮，关闭该窗口->在滤波器两边要加端口的地方加上两个端口->将版图放大后可以看到两个端口，如图37所示。 图37 图38(6) 执行菜单命令【Momentum】/【Simulation】/【S-parameter】,弹出仿真设置窗口，在该窗口右侧的“Sweep Type”，选择“Adaptive”，起止频率与原理图仿真相同，采样点数限制取10（因为仿真很慢，所以点数不要取太多），单击按钮，将设置输入左侧列表中，单击按钮，开始仿真。仿真过程会出现如图38所示。（7） 仿真要进行数分钟，仿真结束后再数据显示窗口查看仿真曲线，如图39所示。 图39TWO、 实验心得： 如果版图仿真得到的曲线不满足指标