收信机的阶跃阻抗低通滤波器1

收信机的阶跃阻抗低通滤波器的设计第一部分试验箱中的滤波器的分析一、介质板参数的确定使用ADS的LineCalc计算软件进行计算介质板的相对介电常数，经过测量得到介质板厚度为2mm，认为其相对磁导率为1，微带线金属片的厚度为0.005mm，金属片的电导率为4.1e7，损耗角正切为0.002。在介电常数为9.6、频率为500MHz的情况下，得到的微带线的宽度为1.97mm，与介质板上的50欧姆传输线基本符合，故在本次设计仿真中，采用认为介电常数为9.6。二、根据测量得到的尺寸进行ADS仿真1、原理图2、S参数仿真结果三、滤波器的性能分析由仿真结果可以看出：滤波器的截止频率约为970MHz，0-500MHz通带内最大衰减为0.31dB。查阅使用说明书可知，微波混频器的射频工作频率：2-3GHz本振工作频率：2-3GHz中频频率：1-500MHz因此，作为下变频混频器的带外抑制滤波器，其截止频率只要大于500MHz，并且在2GHz有较大的插入损耗即可满足要求。第二部分阶跃阻抗低通滤波器的设计一、实验原理用微带线或带状线实现低通滤波器的一种相对容易的方法，是用很高和很低特征阻抗的传输线段交替排列的结构。像这样的滤波器通常称为阶跃阻抗滤波器。因为与用短截线制作的类似的低通滤波器相比，它容易设计并且结构紧凑，所以较为流行。然而，因为它的近似性，它的电特性不是很好，所以这类滤波器通常限制在不需要有陡峭截止的应用中（例如，在抑制带外混频器产物中）。1、短传输线段近似等效电路[1]我们首先求找有很高或很低特征阻抗的短传输线段的近似等效电路。特征阻抗为、长度为l的传输线的ABCD参量为：A=B=jC=jD=然后根据二端口网络的参量转换关系式：====求出Z参量为：==其T型等效电路的串联元件是：-=-j=jT型等效电路的并联元件是。所以，若，则串联元件有正电抗（电感），而并联元件有负电抗（电容）。所以我们有图1.1(a)所示的等效电路，其中=（1.1a）B=（1.1b）(a)(b)(c)图1.1短传输线段的近似等效电路：（a）传输线段的T型等效电路；（b）小的和大的等效电路；（c）小的和小的等效电路现在假定有短的线长（）和大的特征阻抗，则式(1.1)可近似简化为X(1.2a)B0(1.2b)这对应于图1.1（b）所示的等效电路（串联电感）。对于短的线长和小的特征阻抗，式（1.1）近似简化为X0(1.3a)B(1.3b)这对应于图1.1（c）所示的等效电路（并联电路）。所以低通原型的串联电感可以用高阻抗线段（=）代替，而并联电容用低阻抗线段（=）代替。比数/应该尽可能大，所以和的实际值通常设置成能实际做到的最高和最低特征阻抗。为了得到接近截止的最好响应，线的长度可由式（1.2）和式（1.3）决定，该长度应该在=处计算。由式（1.2）和式（1.3）的结果连同定标式==可得出电感段的电长度为=（电感）（1.4a）电容端的电长度为=（电容）（1.4b）式中，是滤波器阻抗，L和C是低通原型的归一化元件值（的值）。2、寄生通带只有当传输线段尺寸远小于波长时，才维持其半集中参数的性质。此时所得的低通滤波器特性才基本上和低通原型滤波器特性相仿。而当工作频率远高于截止频率时，其相应的波长就不再远大于传输线段的尺寸，因而此时半集中参数关系已不再维持，相应的滤波特性也不再和原型滤波器符合了。即当频率一直增加时，衰减并不像原型滤波器那样一直上升，而是在某些频率范围会形成一些衰减较小的区域，称为寄生通带。因此必须注意：在电路中应用低通滤波器时，应事先估计寄生通带的位置，使欲截止的频率不落入寄生通带内。第一个寄生通带中心频率所相应的波长大约为高阻传输线段长度的两倍[2]。二、ADS仿真1、低通滤波器的设计指标具有最平坦相应截止频率为800MHz在2GHz处的插入损耗必须大于40dB阻抗为50Ω，采用6阶巴特沃兹低通原型，最高实际线阻抗为120Ω，最低实际线阻抗为20Ω，采用的基片参数d=1.58mm，=4.2，=0.02，铜导体的厚度t=0.035mm。2.低通原型滤波器设计2.1滤波器的设计步骤（1）根据设计要求确定低通原型的元器件值。（2）采用阻抗和频率定标公式，用低阻抗和高阻抗线段代替串联电感和并联电容。所需微带线的电长度βl，以及实际微带线宽W和线长l可由ADS软件中的LineCalc工具计算得到。（3）根据得到的线宽和线长进行建模并仿真计算。2.2低通原型滤波器设计先计算：-1=-1=1.5从图2.1可以看出，对于n=6的曲线，当-1=1.5时，LA40dB,故最大平坦滤波器级数n=6。图2.1最平坦滤波器原型的衰减与归一化频率的关系曲线根据表2.1列出低通原型值：=0.5176，=1.4142，=1.9318，=1.9318，=1.4142，=0.5176。该低通原型电路如图2.2所示。图2.2滤波器低通原型电路表2.1巴特沃兹滤波器低通原型元件值（=1，=1，N=110）N12.01.021.41421.41421.031.02.01.01.040.76541.84781.84780.76541.050.61801.61802.01.61800.61801.060.51761.41421.93181.93181.41420.51761.070.44501.24701.80192.01.80191.24700.44501.080.39021.11111.66291.96151.96151.66291.11110.39021.090.34731.01.53211.87942.01.87941.53211.00.34731.0100.32190.90801.41421.78201.97541.97541.78201.41420.90800.32191.03滤波器原理图设计和仿真（1）由式1.4计算出各阻抗线的电长度，再使用LineCalc在Freq=800MHz计算出微带线的线宽和线长。结果如表2.2所示。表2.2各支节的宽度和长度节数=或（Ω）（度）(mm)(mm)1150453.0726.220.5172011.811.26.4631.41412033.80.38221.0541.9322044.311.224.2651.93212046.10.38228.761.4142032.411.217.7570.51712012.30.3827.668150453.0726.2（2）根据计算得到的参数绘制出滤波器的原理图，如图2.3所示。图2.3滤波器的原理图（3）原理图仿真得到S21和S11参数的矩形图，如图2.4所示。图2.4滤波器的S21参数曲线和S11参数曲线通过仿真可知，滤波器的各项指标还没有满足设计需求，这就需要优化仿真来使滤波器的参数满足设计的要求。4、滤波器电路参数优化（1）由于原理图仿真和实际应用时参数会有一定的偏差，因此在设定优化参数时，可以适当增加通带宽度。这里共设置了3个优化目标，OptimGoal1和OptimGoal2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；OptimGoal3优化的是S11，用来设定通带内的反射系数。完成设置的目标控件如图2.5所示。图2.5完成设置的目标控件（2）设置完优化目标后保存原理图，这时原理图如图2.6所示。图2.6设置完优化目标的原理图（3）优化结束后的S参数如图2.7所示，从图中可以看出，滤波器在通带内（0800MHz）衰减小于0.792dB，阻带（23GHz）衰减大于40dB满足设计要求。滤波器在通带内S11小于20dB满足设计要求。图2.7S11和S21参数曲线5、版图仿真ADS版图采用矩量法（Mom）进行电磁仿真，器仿真结果比在原理图中仿真更为准确。实际电路的性能可能会与原理图仿真结果有一定差异，因此需要在ADS中进行版图仿真后才能制作电路板。由滤波器原理图生成的版图如图2.8所示。图2.8原理图生成的版图版图仿真结果如图2.9所示。图2.9版图仿真结果从图中可以看出，滤波器通带内（0800MHz）插入损耗小于1.3dB，反射系数小于-11.8dB，在1.852.84GHz之间插入损耗大于40dB，满足了设计要求。6、选用高阻抗线阻抗为100Ω，低阻抗线阻抗为30Ω时，滤波器的性能比较。各支节的宽度和长度节数=或（Ω）（度）(mm)(mm)1150453.0726.220.5173017.86.61031.41410040.50.68724.8841.9323066.46.637.251.93210055.30.68733.9761.4143048.66.627.370.51710014.80.6879.098150453.0726.2原理图仿真结果如2.10所示。图2.1030-100Ω原理图仿真结果将此仿真结果同图2.4比较可发现其阻带衰减明显下降，且第一寄生通带的频率下降了约0.8GHz。图2.420-120Ω原理图仿真结果参考文献：[1]微波工程（第三版），356页[2]微带电路，清华大学，119页