基于ADS微带短截线低通滤波器设计说明

./ADS微带短截线低通滤波器设计摘要线通信技术的蓬勃发展,人们对个人无线通信需求不断增加,加速全球信息时代的到来成为首要任务。在现代生活中主要分为无线通信和有线通信。射频和微波的广泛使用,使有线通信得到广泛关注。微波无源器件的不断发展也使通信技术不断进步,而微带滤波器是微波电路中主要器件,在微波电路中要使用滤波器滤出不用频谱,选择合适通信道路,对电路性能有很大影响。因此设计合适的滤波器成为设计师考虑的主要问题。由于微带电路具有小体积,频率宽,易于集成和优化等特点,成为设计师在做微波滤波器的首选。滤波的主要作用是保证让频带内的信号通过,抑制频带外的信号。由于低通滤波器结构简单,设计容易成为设计滤波器的基础。微波电路中,低通滤波器用在系统前端,使后端电路不受损坏,其陡峭衰减和宽阻带等高性能成为现今滤波器研究热点。本文从微波滤波器在实际电路应用出发,详细介绍高性能低通滤波器设计理论。通过大量国内外文献阅读,分析,总结出微带滤波器的发展,性能优化等方法。并在文中详细介绍使用ADS设计基于理查德变换和科洛达规则理论的微带短截线低通滤波器。关键词：微带低通滤波器,ADS,宽阻带,无线通信MicrostripStubLowpassFilterDesignBasedOnADSAbstractWiththerapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnology,thedemandforpersonalwirelesscommunicationscontinuestoincreaseandacceleratetheadventoftheglobalinformationagehasbecomeatoppriority.Inmodernlifeisdividedintowirelessandwiredcommunications.WidespreaduseofRFandmicrowave,sowiredcommunicationreceivedextensiveattention.Thecontinuousdevelopmentofmicrowavepassivecomponentsalsomakescommunicationtechnologycontinuestoprogress,andmicrostripfilterisamicrowavecircuitmaincomponentsinmicrowavecircuitsusingafiltertofilteroutwithoutspectrum,selecttheappropriatecommunicationpath,thecircuitperformanceisgreatlyinfluences.Therefore,thedesignofsuitablefilterdesignerconsideredamajorproblem.Sincethemicrostripcircuithavingasmallsize,widefrequencyrange,easeofintegrationandoptimizationfeatures,adesignerdoingmicrowavefilterofchoice.Themainroleistoensurethatthesignalfilteringbyband,bandsignalsuppression.Duetothesimplelow-passfilterstructure,designiseasytobecomethebasisofthedesignofthefilter.Microwavecircuits,thelow-passfilterisusedinfrontofthesystem,sothattherearendofthecircuitfromdamage,itssteepattenuationandwidestopbandotherhigh-performancefilterbecomeshottopicnowadays.Thisarticlefromthemicrowavefilter,inactualcircuitapplicationsdeparture,detailsofhigh-performancelow-passfilterdesigntheory.Throughalotofliteraturetoread,analyze,summarizethedevelopmentandperformanceoptimizationofmicrostripfiltermethod.AnddiscussedindetailbasedontheuseofADSandtransformruletheoryofKurodaandRichardstodesignstubslowpassfilter.KeywordsMicrostriplow-passfilter,ADS,broadstopband,wirelesscommunication目录摘要······························ⅠABSTRACT····························Ⅱ目录·····························Ⅲ绪论···························11.1课题研究背景···························11.2国内外研究现状···························2第二章微带滤波器设计理论基础···························32.1滤波器的分类与类型···························32.2滤波器的主要参数···························62.3低通滤波器归一化原形···························7第三章分布参数设计滤波器原理···························103.1高低阻抗传输线等效原理···························103.2理查德变换和科洛达规则···························11第四章基于ADS微带短截线低通滤波器设计··················134.1ADS中的设计与仿真···························134.2结果参数分析···························17第五章总结与展望···························18参考文献···························19第一章绪论1.1课题研究背景伴随着科技的快速发展,人们通信手段的不断增强,社会逐步进入信息化时代。通信领域经历了从有线到无线的快速发展。人们联系方式也从固话发展到移动,无线上网Wi-Fi在全国各地公共服务不断普与。通信邻域的信息传播也从低频向高频发展。在社会强大的需求下和科研人员技术不断支持和发展情况下,能够满足现在不断变化的射频〔RF〕和微波〔MW〕电路得到人们的广泛关注,在各个高校和研究机构都开展了各种研究,并取到不少成绩。人们通信需求的不断增大只有使用更高的载波频率才能获得更宽的频带。现在广泛使用的移动通信〔GSM和3G,4G〕、无线网络、射频识别领域,无人飞机遥控等民用和军用领域都达到GHZ频段。使得人们对适用此频段的射频和微波电路获得更大的关注,而此领域的射频和微波电路设计方法也在不断的发展创新。在当今无线通信领域应用最多的是射频系统,射频无线通信系统的主要功能模块包括射频滤波器、射频放大器、射频震荡器与混频器组成,这些模块具有相似的结构。无线通信系统接收和发送的射频信号是模拟信号,这个射频模拟信号需要用滤波器滤出杂散信号和放大器放大有用信号,滤波的作用是保证只能让频带内的信号通过,抑制频带外的噪声,放大器的目的是提高发射器发射信号或放大所接收到的微弱有用信号,所以滤波器在信号的发射与接收过程中起着关键的必不可少的作用,是不可或缺器件,其性能的好坏直接决定着整个系统的通信质量好坏。由于通信技术的高速发展,对电路的集成化程度、稳定性、可靠性以与体积的大小等要求越来越高。随着新型半导体器件工作频率达到微波波段,而通信系统前端的电路模拟在现在技术下还不能进行高度集成化,所以这些微波无源器件的小型化和高度集成化仍是现在社会面临的技术难题。所以在微波滤波器设计中也面临这样的难题,许多工程技术人员在解决这个问题。传统的方法做出的器件尺寸[1]很大,无法集成。研发周期也很长无法满足现代通信设备更新换代要求,而微带滤波器所具有的体积小,宽频带,质量轻,易于集成等优点得到设计师的广泛关注。1.2国内外研究现状随着无线通信技术的不断发展,国内国外研究者逐渐从新型材料和新型结构两方面开始设计和研制新型滤波器。微带低通滤波器具有尺寸小,易于加工,易于集成等优点在射频和微波频段得到广泛应用。改变介质基片,微带低通滤波器也能扩宽适用频率X围。任何微波滤波器都能以低通为原型进行构建。由于微带线自身独特的性质使微带滤波器设计灵活[2-4],在新技术的应用中并向高性能发展。微带滤波器在使用集总参数设计时在电容和电感会在微波波段产生寄生效应,使滤波器的滤波性能造成极大的恶化,因此在高频段要使用分布参数进行设计,要用终端开路的微带传输线代替并联电容,而在微带电路中串联短路的微带传输线不容易实现因此要进行不同的变换,将电路转化为比较容易实现的形式。而近年来工程设计人员主要基于新结构和新材料的应用来提高器件的性能和集成度,尤其是将人工材料用于低通滤波器的设计中在国内外有很多研究者进行研究[5-8].他们将左手材料和复合左右手材料用于滤波器设计中,这些材料具有负的介电常数,低损耗和宽频带特性,在滤波器设计中运用这些材料或左手结构设计都能提高滤波器的特性。另一种设计是基于缺陷地结构〔DGS〕,同样能够得到高性能和紧凑型滤波器,但是这些基于新型结构滤波器,结构复杂,设计方法比较麻烦,对工程人员要求比较高。在滤波器设计中,先进的商业软件ADS为滤波器设计提供了很大的帮助,使设计周期大为缩短,基于ADS滤波器设计也有很多研究[9-13]。本文提出了一种基于ADS设计的微带短截线低通滤波器的原理和方法。首先利用ADS软件设计出集总参数电路原理图,然后利用理查德变换将集总元件换成短截线,并增加单位元件利用科洛达规则将串联短截线转换为并联短截线设计滤波器。第二章低通滤波器设计理论2.1滤波器的分类与类型在电路系统中滤波器作为处理信号的基本组件,主要是把不同频率信号进行分离,使电路能够获得正常工作。衡量滤波器性能的主要指标是通过以下几方面,频率X围,带内波纹,插损,阻带抑制等参数。因此,滤波器按不同的方法分类有很多种。对信号进行处理可以分为模拟和数字滤波器,按照滤波器的用途可以分为低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器[14]按照材料和制作方法可以将滤波器分为波导滤波器,同轴线滤波器,带状线滤波器,微带滤波器。在工作频率上可分为窄带和宽带滤波器,通过频响特性可分为最平坦式和等波纹式与其他形式[15]。图2-1滤波器分类图在电路设计中,我们主要涉与模拟滤波器的设计和应用,通常用无源元件来设计,在频率很低时,我们可以用电容和电感集总参数来表示滤波器的等效电路。它的基本原理是电容和电感的谐振,是利用两元器件的电抗随频率的变化而变化构成的,是能量在两者之间没有损耗的相互转化,最终传至输出端口。将噪声通过无耗电抗原件反射回信号线,运用有损耗原件构成的滤波器将不需要的频率滤除。当信号频率升高到一定程度后,信号波长和滤波器的尺寸相比拟,这时设计方法就和低频段不同,不能使用集总参数模型等效,要考虑使用分布参数模型对工作电路进行分析。在众多滤波器中微带滤波器以其高性能,设计周期短,小尺寸,易于同其他元器件集成和加工得到广泛应用。随着技术的进步,高性能基板材料逐步开发并在微带滤波器上应用,是的微带滤波器频率应用X围进一步加宽。以下是四种理想滤波器的幅频特性：图2-2四种理想滤波器图2-2中〔a〕是低通滤波器,从图中的幅频特性可以看出当信号频率低于截止频率时,信号可以无损耗的通过,随着频率的升高当超过截止频率时,信号的衰减区域无穷大。图〔b〕是高通滤波器,它的幅频特性与低通滤波器不同,在工作频带允许高频信号无耗通过,当信号频率低于截止频率时,信号将急剧衰减。图〔c〕是带通滤波器,它允许中心频率两侧信号无耗通过,使其他频率X围内信号衰减为无穷大。图〔d〕是理想带阻滤波器,阻止中心频率两侧上截止频率和下截止频率之间的信号,允许频带外的信号无损耗的通过滤波器。根据频响可以将滤波器分为通带内最大平坦,通带内有等幅波纹起伏,通带和阻带内都有等幅波纹起伏和通带内有线性相位等响应,于此相对应的滤波器是巴特沃斯滤波器,切比雪夫滤波器,椭圆函数滤波器和线性相位滤波器等。〔a〕低通滤波器的最平坦响应〔b〕切比雪夫低通滤波器响应〔c〕椭圆函数低通滤波器的响应图2-3三种滤波器的频响特性如图所示〔a〕所示在通带内没有任何波纹,既插入损耗随频率变化最平坦,具有单调衰减的一类滤波器,称为最大平坦滤波器或者巴特沃斯滤波器,频响特性是在时是低通滤波器的通带,当时为低通滤波器的阻带,时为阻带和通带的分界点,此处插损要给出指标值。在通带内巴特沃斯滤波器没有任何波纹,在阻带内衰减随频率急剧增加。图〔b〕给出的是切比雪夫滤波器,从图中可以看出,在通带内有等波纹的响应,所以也称等波纹滤波器。他的频响特性是时是低通滤波器的通带,可以看到波纹的幅值是相等的在通带内。用dB表示波纹高度。当时为低通滤波器的阻带,在阻带内衰减是单调递增的。时为阻带和通带的分界点,此处插损要给出指标值。椭圆函数滤波器不同于巴特沃斯和切比雪夫滤波器在阻带内有单调上升衰减,为了获得截止陡度,从而设定了一个最小的阻带衰减。从图〔c〕中可以看到阻带和通带内有等波纹响应。巴特沃斯滤波电路,切比雪夫滤波电路和椭圆滤波电路的特性对比如下表所示表2-1滤波电路特性比较巴特沃斯滤波器切比雪夫滤波电路椭圆滤波电路参数来源二项式切比雪夫多项式椭圆函数带外衰减可达无穷大可达无穷大有限值波纹无通带内通带内和通带外电路复杂性适中适中复杂特征最大平滑等波纹最陡峭2.2滤波器的主要参数一个滤波器的性能好坏,是由他的只要参数所决定的,因此了解滤波器的参数对我们设计一个性能优越的滤波器来说至关重要。通常主要参数包括：插入损耗,通带宽度,波纹系数,矩形系数,品质因数和阻带抑制。下面我们来看下滤波器的主要参数。插入损耗：对一个理想滤波器来说,滤波器网络是由没有损耗的元器件〔电感,电容,传输线〕组成,通带内对传输信号是无损耗的,因此定义为从信号源入射到滤波电路的功率与到达负载的功率的比值,采用分贝表示为〔2-1〕在实际电路中,插损是由于滤波器传输信号输入端口的阻抗不匹配造成的。如果用表示滤波电路输入端口的电压发射系数,则插损可以表示为〔2-2〕通带宽度：定义为在通带内为3dB衰减对应的上边频截止频率和下变频截止频率的差值,通常可以用表示滤波器通带带宽。单位频率是赫兹。图2-4带宽波纹系数：通常用来描述滤波电路通带内的平坦度,用分贝作单位。波纹系数表示在通带内电路响应的最大值和最小值之差。在切比雪夫电路中可以通过设置波纹系数来调控设计电路,如该滤波电路为通带内最小衰减0dB,最大衰减为3dB,则该电路的波纹系数为3dB。矩形系数：通常用60dB带宽和3dB带宽的比值来定义矩形系数SF。描述滤波器在截止频率附近陡峭变化的频响特性。比值越接近1,滤波器性能越好。可以表示为：〔2-3〕品质因数：滤波器在谐振频率下,平均储能和一个周期内的平均能量消耗之比,品质因数Q可用如下公式表示：〔2-4〕其中为一个周期内的平均储能,为单位时间内平均储能,为谐振频率。通常在讨论滤波器电路时需要考虑和区分加载品质因数和空载品质因数。阻带抑制：用阻带抑制来衡量一个滤波器选择性能的好坏。一般在理想状态下希望滤波电路通带外的衰减能够达到无穷大,但实际中只能使衰减值达到有限值。所以定义了阻带衰减参数,超过这值就认为衰减达到足够大,通常定义为60dB。如下图所示带通滤波电路响应都可以表示上面的主要参数。图2-5带通滤波器电路的典型响应2.3低通滤波器设计归一化原型在工程设计中,低通,带通,高通滤波器通常是由有限个元器件组成的电抗网络,而这些滤波器的特性网络是十分复杂的。为了得到某个频率发生突变产生所要的滤波电路,要使平滑曲线在某个频率点发生变化,而实际中所用的函数为连续函数,在截止频率不可能发生突然变化[16-17]在实际设计中工程人员通过靠近理想理想滤波器的频响特性曲线进行制作。通常采用最大平滑巴特沃斯滤波器,等波纹切比雪夫滤波器,椭圆函数滤波器来实现所要滤波功能。如下图所示一般归一化低通滤波器可通过以下电路结构进行设计。其中巴特沃斯和切比雪夫滤波器都是通过这两种电路结构构成。〔a〕〔b〕图2-6标出归一化元件值的两种多节低通滤波器等效电路图2-6中两种电路结构相互对称,其频响特性相同,都可以成为制作低通滤波器的基本形式。各个元件值g有如下方式确定：m=<1,···,N>归一化的目的是为了提高设计的通用性。通常要将低通原型中元件值进行归一化,对频率进行归一化处理。其中=1,=1。我们可以用公式表示元器件归一化情况对于电阻和电感：<2-5>电感表示为：<2-6>电容表示为：<2-7>其中R,C,L表示电路实际元件值,而R’,C’,L’表示一归一化的原件值。第三章分布参数设计滤波器原理3.1高低阻抗传输线等效原理如下图所示终端有载传输线ZL,其最终传输线的输入阻抗和导纳可写为[18]图3-1终端接负载传输线〔3-1〕〔3-2〕我们可以定义为从传输线输入端口看进去,当这段传输线的阻抗很高时,而且负载的阻抗较低时我们可以将这段传输线等效为串联电感。其满足关系为：当Z0>>ZL,L<时,<3-3>由,〔L0表示一段长为1的传输线电感,C0表示电感〕上式可表示为〔3-4〕同理可得,当Z0<<ZL,L>时<3-5>由此可以看出从传输线输入端口看进去,当这段传输线的阻抗很低时,而且负载的阻抗较高时我们可以将这段传输线等效为并联电容。〔a〕串联电感〔b〕并联电容图3-2高低阻抗传输线等效示意图由此可以得出串联电感可以用一段阻抗很高的传输线代替,并联电容可以替换为一段阻抗很低的传输线。3.2Richard变换和Kuroda规则随着滤波电路工作频率的提高,当工作频率达到射频时集总元件构成的滤波电路,由于元件产生的寄生参数影响,滤波电路性能遭到严重破坏,已经不能达到滤波效果。此时需要使用基于分布参数构建的滤波电路。分布参数滤波电路也是在集总参数滤波电路的基础上发展而来的。就是将集总参数元件用恰当的分布参数替换达到工作效果。因此,Richards提出了一种独特的变换方法实现电路从集总元件到分布参数的变换。就是将一段开路或短路传输线用分布的电感或电容元件替代。当一段传输线的特性阻抗为Z0,终端短路的传输线具有纯电抗特性,其输入阻抗Zin可表示为〔3-6〕电长度可以用下面的关系式来表示他与频率的关系,例如当长度为的传输线,相应的工作频率为,则电长度为〔3-7〕其中为传播常数,为相速度,为归一化频率。将式〔15〕带入〔14〕可得基于频率变化的传输线电感特性与集总元件之间的关系：〔3-8〕其中,是由Richard变换而来。同时电容特性集总参数元件的功能可有一段开路传输线来完成,如下式所示：〔3-9〕Richard变换可由下图来表示：图3-3Richards变换原理Kuroda规则就是用单位元件进行电路变换规则。使用终端短路或者开路传输线来进行替换,是滤波电路更容易实现滤波效果。如下图所示为四个恒等关系：〔a〕〔b〕〔c〕〔d〕图3-4Kuroda规则的四种电路变换形式Kuroda规则的四种电路变换形式,将串并联传输线直接转换,把无法实现的特征阻抗值转换成可实现的。此方法使滤波电路设计变得更加灵活多样。第四章基于ADS的设计和仿真4.1ADS中的设计与仿真使用ADS能够方便快捷的设计滤波器,减少工程人员的工作量,使设计周期缩短。本文主要讲述使用ADS软件设计滤波器先把集总参数滤波器设计出,然后转化为微带滤波器。本文详细讲述使用理查德变换和科洛达规则实现低通滤波器的过程。下面以微带短截线低通滤波器为例详细介绍设计过程。设计指标为：滤波器响应为低通滤波器,通带频率X围为0GHZ~4GHZ,通带内衰减小于3dB,在6GHZ时衰减大于25dB,系统特性阻抗为50欧姆。设计步骤如下：〔1〕启动ADS软件,创建原理图,在执行菜单中选[DesignGuide][Filter]。选择"FilterControlWindow"点击OK,如下滤波器设计窗口。〔2〕单击工具栏中图标,得滤波器的耕种模型,在"FilterDG-All"元件面板中选择低通滤波器模型〔low-passfilterDT〕放入原理图中。图4-1"FilterDG-All"元件面板〔3〕重新回到开始的设计向导中,并打开"FilterAssistant"标签。可以看到如下带有滤波器参数设置和幅频设置窗口。图4-2滤波器参数设置〔4〕在滤波器设计向导中输入设计参数后点击"Redraw",所有参数输入后点击"Design"。系统给出一个满足要求的集总参数滤波器。图4-3滤波器电路原理图〔5〕为了设计满足要求的滤波器需要使用分布参数设计滤波电路[19-20]单击滤波器设计向导中图案,打开转换助手对话框,如下图：图4-4转换助手对话框〔6〕选择"LCtoTline"选项,单击集总参数电感和电容,变为终端短路传输线和终端开路传输线。如图〔a〕〔b〕图4-5电感电容转换电路〔7〕经过变换最后得到如下电路图。图4-6LC转换为短截线构成的电路图〔8〕接着进行Kuroda转换,单击"TLinetoTLine"需要在端口和负载出添加单位元件。点击"BeforeNetwork"和"AfterNetwork"。图4-7加入单位元件后原理图〔9〕在滤波器转化助手对话框中选择如下结构完成转换图4-8科洛达变换转换后的结构为：图4-9运用科洛达变换后结构图〔10〕最后点击"LC,TLinetoMicrostrip"设置基板厚度和基板相对介电常数。点击"Transform"将短截线变为微带线。图4-10低通滤波器原理图〔11〕选择S参数仿真控制器,设置扫频X围,去掉Port1和Port2,加上两个终端负载term接地,并进行仿真。图4-11仿真结果〔12〕去掉两个负载端口和接地线,两端重新添加Port端口,选择[Layout]中的[Generate/UpdateLayout]生成滤波器版图。图4-12低通滤波器版图4.2结果参数分析从图4-11仿真结果中可以看到在2.4GHz时S21的值为-2.991dB,在3.77GHz时S21的值为-0.087dB满足通带内衰减小于3dB,在6GHz时S21的值为-33.764dB此时衰减大于25dB同样满足设计要求,但是从图中可以看到通带频率X围并没有达到4GHz,需要进一步的优化电路。第五章终结与展望本文首先介绍射频电路和微波电路在现代通信领域的发展和广泛应用,从而提出了滤波器在射频和滤波电路中的重要作用。之后详细介绍了国内外在滤波器设计中的不同成绩和研究方法。指出新材料和新型结构对微带滤波器性能的提高,之后提出基于ADS软件设计滤波器的原理和方法。并详细介绍了使用ADS运用理查德变换和科洛达规则进行滤波器设计的详细过程。本文主要提出一种使用集总参数设计微带短截线的低通滤波器的方法步骤,并生成版图达到设计效果。参考文献[1]徐晓东,微带带通滤波器的研究[D].XX:XX理工大学,2007.[2]清华大学《微带电路》编写组.微带电路[M].:人民邮电,1975.[3]黄秋原,董诗波.射频电路中匹配网络的设计和分析[J].XX理工大学学报:交通科学与工程版,2007,31<6>: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