切比雪夫带通滤波器

1、* *院西理N季傥课程设计题 目切比雪夫带通滤波器的设计学生姓名 学号所在院（系）物理与电信工程学院专业班级电子1104指导教师聂翔完成地点博远楼计算机实验室2014年1月08日摘要微波滤波器在卫星通信、雷达技术、电子对抗及微波测量仪器中都有广泛的应用。无论是发射机还是接收机， 都需要选择特定频率的信号进行处理，滤除其他频率的干扰信号，这就需要使用滤波电路来分离有用信号和干扰信号。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦，切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小。本文借助ADS2008仿真软件，设计出一种切比雪夫带通滤波器，简化了设计步骤，

2、节省了设计时间。关键字：ADS软件 带通滤波器 切比雪夫目录1设计方法与参数3.1.1 将带通原型参数变换为低通原型参数；31.2 参数计算4.2软件仿真4.2.1 创建项目4.2.2 利用ADS的计算工具tools完成对微带滤波器的计算 52.3 设计原理图7.2.4 原理图仿真&2.5 原理图优化102.6 版图生成与仿真 1.53设计心得：1.6参考文献1.71设计方法与参数设计带通滤波器的方法有很多种， 但最为产检的是低通原型滤波器综合法和数值法，这两种方法与设计师多种可能解决方案之间的抉择紧密关联。相对与巴特沃兹滤波器， 切比雪夫滤波器具有的较窄的过渡带， 但这是以牺牲滤波器

3、通带和阻带的波纹性换来的。主要的技术指标：(1)中心频率f025GHz;(中心频率f0 , fh、力分别为带通滤波器的上、下边 界频率。)(2)输入输出阻抗：50;(3)带内波动：3dB;(通带内插入损耗随频率的变化量)(4)相对带宽：20%;(信号带宽与中心频率之比)(5)阶数：3阶1.1 将带通原型参数变换为低通原型参数；W' f0 f f0由低通原型滤波器变换为带通滤波器的公式为：1 二;7, T 二；W' BW f0 f其中f0 JfTT为带通滤波器中心频率，fh、t分别为带通滤波器的上、 下边界频率。BW为滤波器的带宽BW= fh- fi。依据切比雪夫低通滤波器原型的

4、归一化元件值可得：3阶带通滤波器元件值依次为： g0=1.0、g1=1.5963 、g2=1.0967、g3=1.5963 、g4=1.0 。1.2 参数计算使用归一化设计参数 g1-g4和归一化带宽BW可以得到通带滤波器的设计参数Jn,n 1Z0 2vgngn 1由上式的通带电路设计参数可以得到奇模和偶模特征阻抗，其值为：Zo li,i 1 Zo 1 Z°Ji,i 12Z0Ji,i 1Ze li,i 1 Z0 1 Z°Ji,i 12Z0Ji,i 1式中Z0为特征阻抗，取值为50,将g0=1.0、g1=1.5963 、g2=1.0967、g3=1.5963、g4=1.0 带

5、入上述式中依次得到:Jo,1 =0.0140、Ji,2 =0.0119、12,3 =0.0119、13,4 =0.0140解出特征阻抗为：奇模：Zo |o,i =39.50、Zo 1,2 =37.95、Z0 心=37.95、Z° L =39.50偶模：Ze|0,1 =109.50、Ze|1,2=97.45、Ze |2,3=97.45、Ze|3,4=109.502软件仿真2.1 创建项目启动ADS软件，弹出主视窗。选择主视窗中的 file 菜单-【new project ,弹 出【new project 对话框，在【new project 对话框输入项目名称和这个项目默认的长度单位。2

6、.2 利用ADS的计算工具tools完成对微带滤波器的计算ADS软件中白工具tools ,可以对不同类型的传输线进行计算，使用者可以利用计算工具提供的图形化界面进行设计。对于平行耦合微带线来说，可以进行物理尺寸和电参数之间的数值计算，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导体带的角度和间隔距离。下面利用ADS软件提供的计算工具，完成对平行耦合微带线的计算。在原理图上，选择【tools 菜单-> LineCalc -> Start LineCalc 命令，弹 出【LineCalc 计算窗口。如图示。设置所需参数。在【LineCalc】计算窗口选择如下:Er=

7、2.7 ,表示微带线基板的相对介电常数为2.7。Mur=1 ,表示微带线的相对磁导率为1。H=1mm ,表示微带线基板的厚度为1mm。Hu=1.0e+033,表示微带线的封装高度为1.0e+033 ，T=0.05mm ,表示微带线的导体厚度为0.05mm 。Cond=5.8E+7 ,表示微带线导体的电导率为5.8E+7 。TanD=0.0003 ,表示微带线的损耗角正切为0.0003.Freq=2.4GHZ ,表示计算时采用的频率为2.4GHZ.Ze,表示计算时偶模的特性阻抗。Zo ,表示计算时奇模的特性阻抗。2.3 设计原理图在原理图的元件面板列表中，选择【 TLines-Microstri

8、p ,元件面板上出现对应的元 件图标。在元件面板上选择Mcfil , 4次插入原理图的画图区，可以设置这段微带线的导体带宽度 W,导体带间隔S和长度L。分别双击画图区的 4个Mcfil ,将4个Mcfil的数值根 据列表中的数值设置，在微带线元件面板上选择MLIN ,两次插入原理图的画图区，MLIN是一段长度的微带线，可以设置这段微带线的宽度W和长度L。分别双击可以设置。 选才i S参数仿真元件面板， 在元件面板上选择负载终端Term ,两次插入原理图，再插入两次地线，完成连线如下图H一常目兽r 春smL玲n -Mg - t ss.s s“ 5S7壹 jwnl TA-MmF -si - ，f工

9、寻一gL : pm9笈H含1-. .' 冬 mF . 一冬号|:3 31产F哥， 穹 寻一s S蔓等. 3-审问M;- - -( r§.s家&耳 有宜昌.-SJL三 1.1 一心一接当s. 口 J&3 直-±缸 一爱!星- £Bi La-33mll回军善： :-irsw与 皿1出示宣.7营靠直立宣S京 E63W 昌£.sus兰”W wm ilI2E一己-&-置gqM 档331: L包W2.4 原理图仿真在仿真之前，首先设置 S参数仿真控件SP, SP对原理图中的仿真参量给出取值范围，当S参数仿真控件SP确定后，就可以仿真了

10、。在S参数仿真元件面板Simulation-S Param 上，选择S参数仿真控件 SP,插入原理图区，对 S参数控件设置如下 start=1.0GHz , stop=4GHz , step=20MHzS-PARAME7ERSS_ParamSP1. . . 1Start-1.0 GHzStop=4 GHzStep=20 MHz仿真后波形如下nn1rreq=1,940GHzdB(S(2/)=4).571m3 fneq=2.440GHz dB(S(2.1)0,530m2freq =2.900GHz dB(S(2,1)=0579(Ezwopfreq, GHz序号频率dB(S(2 , 1)M11.94

11、0GHz0.571M22.900GHz0.579M32.440GHz0.530从图中得中心频率为 2.44,出现偏移，且通带带宽太大，带内纹波和衰减不满足要求,所以要进行优化。2.5 原理图优化修改平行微带线段的取值方式，将平彳r耦合微带线段的导体带宽度w、两个导体带的间隔s和耦合微带线的长度 l设置为变量，并设置相邻平行耦合微带线的尺寸，分别在下面窗口中设置4段微带线设置完成后，在原理图的工具栏选择【VAR】按钮，插入原理图的画图区。在画图区双击VAR ,弹出Variables and Equations 对话框，在对话框中对变量w1、si、11、w2、 s2、12的范围进行设置得到rn v

12、arE. qr VAR1w1 =2.026219 t o.w2-2,5701 t c.s1=0.27101 t o52=1.240136 t oM=2L4913t<412=21.0792 t0在原理图中插入优化控件 Optim ,双击优化控件 Optim ,设置优化次数为 100次OPTIMUseAIIGoals=yesSaveCurrentEF=noOptim Optim j Optim Type- Ran dom Maxi 怕用=100DesiredError=O.0 StatusLevel=4 FinalAnalysis="None" NQrmalizeGoal

13、s=no SetBestValues=yes Seed=Sa«Solns=yes SayeGoals=yes Sa«OptiinVars=no Update Datas et=yes SajeNominal-no SafiAlllteraticns=no UsoAIIO ptVars= yes在原理图中插入 3个目标控件GOAL,双击设置如下GOALGOALGOALGodi Gem一-OplfcriGoall .Optimoal2.OptimiGDalSEjtpr="d9(£(11)rExp 它PE*pi)rExpn="dBiS(2.1)?Sf

14、crn instanceNam e- 5F1写 rm In $ta n 匚 ehigm 5户 1"Sim i ns(a rK eN am e-L S31LMiri«0.5Min*Max=KWEOMa)t=2CiW叫"W 啊 ht=Waighl=Ring#Yirt1=Tr*q"Rangs'arfl J="fwq"Ringti/ar(1=,Tr#q"Ran5eMin1=2 2$G 也RangeMiri1J=1 aSGHE厢 ngMin 口尸 2 9GHzR甘班加N*产之7SGHZF?anfle'.ial|=l 9

15、GH工Rangef/34i;=2 91Gh'z最后所得的优化原理图为ffis- - 我：-JI用工一m v募a1国翼I ,营工 言亭勒京 Nrarca雪 Atf.g等杰 军淳良彳宰 均配用力一 国也5济T 号逗号£耳 次更烹日里“ 等会京萍§，克i: -,赞 ,ss 'E:.T邕号 ，更gtntlrnp- . /“ 一舅兽. w<lln一招巨自r-le3R r留 . 暨：83为 K.T 旨 FI. 3k sldH. 11直:i Xir Mrr要可 is 士尊g?W生rmw言 :星寻忌： 毛皂TH 宫IT-v, Iga 注宾w :1 -旨宜I- -ff-

16、.itsF策 £§" <密与： SnidJide 灵专一rlsalM,LsprsinDiaKdwnT- , .:二垦事等 索 Y曷s 一辜 #辜 Rqrqx通电巴宜R'g停冕 -言万一营®-量毒鱼HRrihs毒 R思直不鬓 Rin0T“13KHLR*霍普得到仿真的波形图如下,m2fwtp2.1 DCGHZ d 曲2t 1)尸1一054 optltef=0mi fFea=2B0DGHi 0日8(?,1力二七甘56 optlorOm3frup2 900 GHz d0CS(Zl)=-O.57S optlter=C如上图所示，优化后并不满足设计要求

17、。最后通过工具栏中【 Simulate > Tuning 进行调谐。如下图所示:SSTu门，Si 认cfu1 XT>3Se酬 Sli Jcr t申5匕pVpdkt« 5更hqnEE。得到仿真图如下:二二m 1freq=2 240GHz;dB 布(21 足 ©566(二巴mspm3freq=2 400GHi则S凶)尸电410m4freq=2 500GHz(JB 忐(2,1) 2324m2 freq=2.760GH 工 dB电(2J炉 0470S11 :端口 2匹配时，端口S22 :端口 1匹配时，端口S12 :端口 1匹配时，端口S21 :端口 2匹配时，端口1的

18、反射系数；2的反射系数；2到端口 1的反向传输系数;1到端口 2的正向传输系数;对于互易网络，有：S12 = S21;对于对称网络，有：S11 =S22序号频率Db(S(2,1)M12.240GHz-0.566M22.760GHz-0.470M32.400GHz-3.410M42.500GHz-2.324从上表可以看出:M4为中心频率为2.5GHz在中心，满足技术指标，M1为上边频2.24GHz , M2为下边频2.76GHz ,满足技术指标由M2和M3得带内波纹为 2.940dB相对带宽20%满足技术指标(2.24-2.76GHZ )2.6 版图生成与仿真(1)在原理图视窗上，单击原理图工具

19、栏中的【 Deactive or Active Component 按钮， 然后单击两个端口的 Term、接地、和优化控件，去掉阶梯阻抗带通滤波器两个端口的 Term、 接地和优化控件，不让它们出现在生成的班图中。(2)选择原理图上的【Layout】 菜单 > 【Generate/Update Layout】，弹出 【Generate/Update Layout 设置窗口，单击窗口上的【 OK】按钮。默认它的设置。(3)完成版图的生成过程后，版图视窗会自动打开，画图区会显示刚刚生成的版图，如图 所示。原理图中构成滤波器电路的各种微带线元件模型，在版图中已经转化成实际微带线。(4)选择版图工具栏上的端口Port ,两次插入版图，输入端口设置为端口1,输出端口设置为端口 2.(5)下面设置微带线的基本参数。为了使版图的