实验一射频滤波器设计

1、实验一 射频滤波器设计一、实验目的（1）了解微波滤波电路的原理及设计方法。（2）学习使用ADS软件进行微波电路的设计，优化，仿真。（3）掌握微带滤波器的制作及调试方法。二、实验内容（1）使用ADS软件设计一个微带带通滤波器，并对其参数进行优化、仿真。（2）根据软件设计的结果绘制电路版图，并加工成电路板。（3）对加工好的电路进行调试，使其满足设计要求。三、 设计指标设计指标：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-20dB。四、实验原理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

2、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。等效电路在进行设计时，主要是以滤波器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21(S12)是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及衰减、起伏全都表现在S21(S12)随频率变化曲线的形状上。S11(S22)参数是输入、输出端口的反射系数，由它可以换算出输入、输出端的电压驻波比。如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，并且影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。五、实验步骤（1）启动ADS （2）创建新的工程文件（3）生成微带滤波器的原理图，如图1所示。1 / 9图1 微带滤波器原理图(4) 设置微带电路的基本参数双击图上的

3、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)(5) 计算微带线的线宽和长度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 Linecalc， 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

4、)。(6) 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)。通过添加变量实现对五个耦合线节微带线线长L，宽W和缝隙S的尺寸进行设置。由于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。 图2是设置微带器件参数后的原理图图2 设置微带器件参数后的原理图(7) 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

5、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。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)。(8) S参数仿真电路设置选择Term放置在滤波器两边，用来定义端口1和2，点击接地图标，放置两个地，并按照图3连接好电路。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 添加变量和S参数仿真的

6、电路原理图(9) 优化目标的设置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。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。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于2 dB，阻带衰减大于40 dB)，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 -20 dB)，具体数值见表I表I 优化目标控件的参数设置按钮名称优化目标1优化目标2优化目标3优化目标4ExprdB(S(2,1)dB(S(2,1)dB(S(2,1)dB(S(1,1)SimInstanceN

7、ameSP1SP1SP1SP1Weight100100100100Min-2保留保留保留Max保留404040RangVarFreqFreqFreqFreqRangMin2.99GHz2.7GHz3.3GHz2.99GHzRangMax3.11GHz2.8GHz3.4GHz3.11GHz(10) 进行参数优化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

8、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。(11) 观察仿真曲线优化完成后必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。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。点击图形显示窗口左侧工具栏中的生成方框图按钮，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。用同样的方法依次加入

9、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。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。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。仿真曲线如下图所示。(12) 版图的仿真 用于生成版图的原理图如图5所示。图5 用于生成版图的原理图首

10、先把原理图中用于S参数仿真的两个Term以及接地去掉，不让他们出现在生成的原理图中。然后点击菜单中的Layout -> Generate/Update Layout，弹出一个设置窗口，直接点OK，又出现一个窗口，再点OK，完成版图的生成。 生成的版图如图6所示。图6 生成的版图为了进行S参数仿真还要在滤波器两侧添加两个端口，做法是点击工具栏上的Port按钮，弹出port设置窗口，点击OK关闭该窗口，在滤波器两边要加端口的地方分别点击加上两个port，将版图放大后可以看到两个端口(见下图中的P1、P2)。点击Momentum -> Simulation -> S-parameter弹出仿真设置窗口，该窗口右侧的Sweep Type选择Adaptive，起止频率设为与原理图中相同，采样点数限制取10 (因为仿真很慢，所以点数不要取得太多)。然后点击Update按钮，将设置填入左侧列表中，点击Simulate按钮开始进行仿真。仿真运算要进行数分钟，仿真结束后将出现曲线显示窗口，观察S11和S21曲线，性能有不同程度的恶化，此处要求S21在通带内衰减小于2.5dB，起伏小于1dB，阻带衰减大于40 dB。S11在通带内最好小于-15dB。(13) 观察版图仿真的曲线如果版图仿真得到的曲线不满