基于ADS微带短截线低通滤波器设计

1ADS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2MicrostripStubLowpassFilterDesignBasedOnADSAbstractWiththerapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnology,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,wirelesscommunication3目录摘要······························ⅠABSTRACT····························Ⅱ目录·····························Ⅲ第一章绪论···························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滤波器的分类及类型···························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···························194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及。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、射频震荡器及混频器组成，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、可靠性以及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5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范围。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。6第二章低通滤波器设计理论2.1滤波器的分类及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，频率范围，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及其他形式[15]。图2-1滤波器分类图在电路设计中，我们主要涉及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