射频ADS微波HFSS相关-射频实验三-射频滤波器

PAGEPAGE21实验三射频滤波器实验一实验目的1．掌握射频低通、带通滤波器的工作原理2．学习使用ADS软件进行滤波器的设计、优化和仿真3．学会使用AV3620矢量网络分析仪测试滤波器的幅频特性二实验原理1低通滤波器集总元件低通原型滤波器是设计微波滤波器的基础。一般低通原型滤波器的两种可行结构如图3-1所示，它是个LC梯型网络，两端各接纯电阻负载，（a）与（b）两电路互为对偶，即串联电感与并联电容存在对换关系。图3-1低通原型滤波器的电路低通原型的频率响应通常有最平坦响应和等波纹响应两种。最平坦型滤波器的衰减曲线中没有任何波纹，所以称为最大平滑滤波器，也称巴特沃斯滤波器。其衰减函数为（3-1）其中归一化频率。等波纹型滤波器的频率响应在通带内有规律性的起伏，且幅度相等，故称为等波纹型，也称为切比雪夫响应。其衰减函数为（3-2）与巴特沃斯低通原型相比较，对于给定的通带衰减和滤波器节数，切比雪夫低通原型的阻带衰减斜率陡峭得多。2带通滤波器发卡式滤波器是半波长耦合微带滤波器的一种变形结构，是把半波长耦合谐振器折合成“U”字形构成的。发卡式滤波器是由若干个发卡式谐振器并排排列组合而成，这些谐振器之间主要是通过其边缘区域的电磁场相互交叉耦合的。因此，这部分区域决定了发卡式滤波器之间的耦合特性和耦合强度。在每个谐振器两臂的开放端，电场强度分布达到最大；而在其两臂的中间部分，磁场强度分布达到最大。如图3-2所示，根据谐振器间的相对位置，发卡式谐振器可以分为四种基本耦合结构：电耦合、磁耦合、第一及第二类混合耦合。图中，a为谐振器臂长，b为臂间距，w为线宽，s为两谐振器间距，d为两谐振器偏移距离。图3-2微带型发卡式谐振器的4类基本耦合结构对于相同的微带线结构，如果两个谐振器的s和d减小，其耦合性能必定增强。此外，谐振器之间的耦合强度可以通过耦合系数来进行分析。耦合系数越大，耦合性能越强；反之则耦合性能越弱。发卡式谐振器信号源的输入输出方式可采用抽头方式或缝隙耦合方式。发卡式谐振器的谐振频率主要由以下参数确定：发卡臂长a、线宽w以及两臂之间的距离b。通常取发卡谐振器的臂长约为，为微带介质中的带内波长，，为所设计的带通滤波器的通带中心频率，，式中和为滤波器通带所对应的频率点。三实验设备及装置图本实验主要是通过使用矢量网络分析仪AV3620测试RF带通及低通滤波器的散射参数（S11、S12、S21、S22）来熟悉滤波器的性能。连接图如下，将网络分析仪的1端口接到滤波器的输入端口，将滤波器的输出端口接到网络分析仪的2端口。实验中使用的低通集总滤波器模块，为11阶电容输入式LC梯形网络；微带带通滤波器模块，为5节发卡式滤波器，信号源输入输出采用抽头线方式，两端接以50欧姆匹配负载。其PCB图分别如下所示。四实验内容及步骤学习使用ADS软件设计滤波器的方法及步骤。使用矢量网络分析仪AV3620测量微波带通和低通滤波器的散射参数。1.使用ADS设计滤波器1.1低通滤波器启动ADS进入主窗口，点击File->NewProject设置工程文件名称及存储路径，点击LengthUnit设置长度单位为毫米，工程文件创建完毕后主窗口中显示出该工程，同时原理图设计窗口打开。ADS的FilterDesignGuide可以快速准确的生成各种滤波器，此处我们用它来设计集总低通滤波器。（1）．确定设计指标切比雪夫型低通滤波器，截止频率450MHz，带内衰减小于1dB,阻带480MHz以上衰减大于20dB。（2）.运行设计指导在原理图窗口点击命令DesignGuide->Filter,弹出Filter对话框，选择FilterControlWindow并点击OK，弹出新窗口FilterDesignGuide，在原理图中放置Smart元件后它将被激活。选择命令View->ComponentPalette-All或在工具栏中点击ComponentPalette-All图标，原理图左侧就会出现Smart元件面板。或者在原理图设计窗口中选择滤波器设计指导工具栏也可以打开Smart元件面板。（3）．放置Smart元件并设计滤波器在原理图左侧的FilterDG工具栏中选择Smart元件放置在原理图中，此时FilterDesignGuide窗口被激活。点击FilterAssistant标签，设定滤波器的详细参数，包括通带和阻带频率及衰减、滤波器类型、源及匹配负载阻抗等。设置好滤波器的响应后，点击Redraw观察响应曲线的变化，若达不到指标要求，可适当更改参数。响应曲线达到指标要求后，点击Design按钮，进行滤波器的自动设计。原理图中的Smart元件已具有所要求的滤波器特性，而且滤波器具体电路已经创建好了。点击工具栏中的PushIntoHierarchy图标可以进入DT元件来检验电路，点击PopOut跳回到上层电路。（4）．检验滤波器的S参数仿真结果点击FilterDesignGuide窗口中的SimulationAssistant标签，设置扫描频率范围，例如从200MHz到700MHz，步长为10MHz，然后点击Simulate按钮观察结果，一个模板会运行S参数仿真并显示结果。检验数据显示，比较理想响应曲线与实际曲线的差异，移动MarkerM1、M2可以读取曲线任意点处的数值，移动MarkerA、B会比较该段内的输入参数和仿真结果。由图可以看出，电路参数满足设计的指标要求。1.2发卡式带通滤波器启动ADS进入主窗口，点击File->NewProject设置工程文件名称及存储路径，点击LengthUnit设置长度单位为毫米，工程文件创建完毕后主窗口中显示出该工程，同时原理图设计窗口打开。确定设计指标：通带1.0~1.4Ghz，带内衰减小于3dB，起伏小于1dB，0.6Ghz以下及1.8Ghz以上衰减大于50dB,端口反射系数小于-25dB。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仿真。S12（S21）是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及衰减、起伏全部表现在S12（S21）随频率变化曲线的形状上。S11（S22）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。生成滤波器原理图在原理图设计窗口中选择微带电路的工具栏；在工具栏中点击选择耦合线、弯头以及T型接头并在右侧的绘图区放置；选择微带线、开路短线以及控件MSUB分别放置在绘图区中；选择画线工具将电路连接起来，连接方式如下图所示。图中四个Mcfil表示滤波器的四个耦合线节，MLIN和MSOBND表示耦合线节之间的连接线。设置微带电路的基本参数双击原理图中的控件MSUB设置微带线参数。也可以点击MSUB下面的文字直接进行修改，但要注意数字与单位之间有一个空格。H：介质基板厚度（1mm）Er：介质基板相对介电常数（4.6）Mur：磁导率（1）Cond：金属电导率（铜5.88E+7）Hu：封装高度（1.0E+33mm）T：金属层厚度（0.02mm）TanD：损耗角正切（0）Rough：表面粗糙度（0mm）计算引出线宽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->StartLineCalc，出现一个新的窗口：在窗口的SubstrateParameters栏中填入与MSUB中相同的微带线参数在ComponentParameters栏中填入中心频率（本例中为1.2GHz）Physical栏中的W和L分别表示微带线的宽和长；Electrical栏中的Z0和E_Eff分别表示微带线的特性阻抗和相位延迟；点击Synthesize和Analyze栏中的箭头，可以进行W、L与Z0、E_Eff间的相互换算填入50Ohm和90deg可以换算出微带线的线宽1.82mm和长度33.68mm（四分之一波长）。另外打开的一个窗口显示当前运算状态以及错误信息。设置微带器件的参数双击滤波器两边的引出线，分别将其宽与长设为1.82mm和2.5mm（其中线长只是暂定，以后制作版图时还会修改）。因为发卡式滤波器的结构是对称的，所以四个耦合线节中，第1、4及2、3节微带线长L、宽W和间距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。双击每个耦合线节设置其参数，W、L、S分别设为相应的数值，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。S参数仿真电路设置在原理图设计窗口中选择S参数仿真的工具栏；选择Term放置在滤波器两边，用来定义端口1和2，点击图标，放置两个地，并如图所示连接好电路；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）。观察仿真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InsertMarker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。电路参数调谐在原理图中，用Shift或Ctrl键来同时选中需要调谐的元件，点击命令Simulate->Tuning或工具栏上的TuneParameters按钮，打开调谐器，同时仿真图形显示窗口和调谐参数窗口会一同弹出。还可以在原理图中点击需要调谐的元件，弹出一个可调谐参数的选择窗口后勾选相应的参数值加入到调谐参数窗口中，并设置其当前值、调谐范围及调谐步长。在调谐参数窗口的Simulate栏的下拉列表中选择AfterEachChange，这样每次改变元件的参数值后就会自动进行S参数仿真了。点击元件栏中的箭头或者滑动滑块来改变元件的参数值，观察仿真曲线窗口中S11（S22）和S21（S12）曲线的即时变化情况。调节过程中，点击UpdateSchematic按钮可以更新原理图中的相应参数。当仿真曲线已经达到指标要求时，关闭调节窗口，即可进行版图仿真。版图的仿真版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但是它的计算比较复杂，需要较长的时间，在此作为对原理图设计的验证。首先要由原理图生成版图。生成版图前先要把原理图中用于S参数仿真的两个Term以及接地去掉，去掉的方法是使用按钮，把这些元件打上红叉。然后点击菜单中的Layout->Generate/UpdateLayout，弹出一个设置窗口，确保SharingComponent是P1（原理图中的Port1），这样从左到右电路版图才能正确形成。点击OK，出现一个对话框显示版图窗口中产生的元件数目，点击OK，完成版图的生成，这时会打开一个显示版图的窗口。版图生成后要设置微带电路的基本参数（即原理图中MSUB里的参数），方法是点击版图窗口菜单中的Momentum->Substrate->UpdateFromSchematic从原理图中获得这些参数，点击Momentum->Substrate->Create/Modify可以验证和修改这些参数。为了进行S参数仿真还要在滤波器两侧添加两个端口，方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P1、P2。点击Momentum->Simulation->S-parameters弹出仿真设置窗口，该窗口右侧的SweepType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，所以点数不要取的太多）。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。仿真过程中会出现一个状态窗口显示仿真进程。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。如果版图仿真得到的曲线不满足指标要求，那么要重新回到原理图窗口进行优化仿真，此时要先使打上红叉的部件恢复有效才能进行优化，之后重复前面所述的过程，直到版图仿真的结果达到要求为止。其他参数在进行原理图仿真时，还可以看到滤波器的群时延以及输入的电压驻波比等参数。双击S参数控件，在其设置窗口的Parameters选项卡中勾上Groupdelay选项，就会在仿真时计算群时延。把左侧工具栏设为，并把VSWR控件放置在原理图中，即可计算输入驻波比。要观察这两个参数的曲线，只需在仿真后出现的图形显示窗口中添加delay(2,1)及VSWR的曲线即可。2.使用网络分析仪测量滤波器步骤一调用误差校准后的系统状态步骤二测量低通滤波器设置频率范围：起始频率200MHz，终止频率700MHz。设置源功率：将功率电平设置为-10dBm。按照装置图连接待测器件；将测量点数改为101。选择正向传输测量，观察S21即滤波器的正向插入损耗曲线，读出其