实验四-微波射频带通滤波器设计

实验四射频滤波器设计、仿真与测试一、滤波器原理2dBPPLLinAlg10通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性：1.1滤波器的技术指标中心频率通带最大衰减阻带最小衰减通带带宽插入损耗：群时延带内纹波：回波损耗、驻波比。1.2插入衰减法设计滤波器31.2.1理想工作衰减频率响应2221111()iiLirPPLPPPs2222()11()1()()cMLPPN2222()()()()NMN（频率的偶函数）1.2.1工作衰减频率响应函数51.2.2优化函数（低通）(1).最平坦响应(Butterworth)NLLdB21N1,3：容差系数：阶数110210lg10lg(1)2lgsLNsssLNcc6N/20N/10LdBLdB阻带衰减：(2).等波纹响应(Chebyshevpolynomial)2N1T()NL：容差系数，：阶数sLsarNar10cosh101/coshcc10N/15N/5LdBLdB阻带衰减：71.3滤波器的设计步骤（1）由衰减特性综合出低通原型（2）再进行频率变换，变换成所设计的滤波器类型（3）计算滤波器电路元件值（4）微波结构实现电路元件，并用微波微波仿真软件进行优化仿真。81.4滤波器的低通原型设计中都采用表格而不用繁杂的计算公式。低通原型电路结构91.巴特沃士：102.切比雪夫:111.5滤波器的四种频率变换1、低通滤波器与低通原型的变换频率变换c等衰减变换变换后在对应频率点上衰减量不变，须对应的元件值在两种频率下的具有相同的阻抗，即：()()zz''0kkkkkccgjgjgjLLZ电感元件：0Z：信号源内阻''0kkkkkccgjgjgjCCZ电容元件：2、高通滤波器与低通原型的变换•频率变换0-10c、、、、c•等衰减变换''011()kkckkckzjgjLCjCLZ电感元件：'0'1kkckkckZyjgjCLjLC电容元件：()=电感=〉电容电容=〉电感3、带通滤波器与低通原型的变换频率变换cc12011、、、、、、等衰减变换'0'0''000011:()kkkkkkkkjgjLjLjCLLZCLZ电感元件kkkkkkkkjgjCjCjLCCLRRC'0'0''000011:()电容元件电感=〉串联谐振电容=〉并联谐振4、带阻滤波器与低通原型的变换频率变换1200110cc、、、、、、000210021021011()()cccccc其中：等衰减变换'0'0''0000111:()1kkkkkkkkjjLjjgCCCLZCCZ电容元件'0'0''0000111:()1kkkkkkkkjjCjjgLLLCLZLZ电感元件电感=〉并联谐振电容=〉串联谐振19为电导为电阻000000,,gYgggZ低通变换：高通变换：带通变换：20带阻变换：二、集总参数滤波器sLLArAsn110/10/1cosh110/110cosh22例：设计一L-C切比雪夫型低通滤波器,截止频率为75MHz,通带内衰减为3dB,波纹为1dB,频率大于100MHz,衰减大于20dB，Z0=50Ω。（1）确定指标:特性阻抗Z0=50Ω,截止频率fc=75MHz,阻带边频fs=100MHz,通带最大衰减LAr=3dB,阻带最小衰减LAs=20dB。（2）计算元件级数n：n取最接近的整数,则n=5（3）查表求原型元件值gi,23低通变换：（4）计算实际元件值24（5）画出电路结构，进行电路仿真据设计指标参数，使用ADS中的滤波器设计向导工具自动生成滤波器电路2526例2：设计一个L-C切比雪夫型带通滤波器,中心频率为75MHz,3dB带宽为10MHz,波纹为1dB,工作频带外75±15MHz的衰减大于30dB,Z0=50Ω。（1）确定指标:特性阻抗：Z0=50Ω上通带边频：f1=75+5=80MHz下通带边频：f2=75-5=70MHz上阻带边频：fXU=75+15=90MHz下阻带边频：fXL=75-15=60MHz通带内最大衰减：LAr=3dB阻带最小衰减：LAs=30dB（2）计算相关参数778.2),(778.21333.311083.742120220112210XXsXLXUsXLXLsMINFBWfffFBWfffMHzffFBWfff，，27（3）计算元件节数nsLLArAsn110/10/1cosh110/110coshn取整数3（4）查表得原型元件值gi（5）带通变换28（6）画出电路，进行仿真29三、分布参数滤波器1、Richard变换—短截线实现L、CininZjZtglYjYtgl00()()短开2、高、低阻抗线—实现串联L、并联C，设计LPF000cossin1/2101/2sin/cos011011-/2cos1-/2(1-/4)sin/1-/2jZjXjXAjZjBXBXBjXXBBZjBXB002(/2)1cos2sin/2sin(/)sin2sin(/2)cos(/2)ppXZtglvBYlv利用0000sin()/8:2(/2)BYlYlClXZtglZlL00=//ppCYlvLZlv0000(100(20ZYZY高阻),近似为串联电感低阻),近似为并联电容12单位：mm9.810.27.114.0(a)0.00.51.01.52.02.53.0S11S21－15－10－50IL/dBf/MHz(b)串联高、低阻抗线低通滤波器3、Kuroda恒等式(变换)设计LPF若采用高低阻抗线法，对传输线的制造有较高的要求，才能得到较理想的近似L、C；若采用短路线和开路线实现L、C，实际串联短路线无法制造。这些问题可用Kuroda恒等式来设计解决。•将并(串)联短截线变换为串(并)联短截线•短截线间用l=/8的附加传输线(单位元件)连接。(冗余设计、物理上分隔元件)•将不易实现的特性阻抗传输线变换为易实现的特性阻抗传输线。如图示：并联开路线的特征阻抗为Z2，与其相连传输线的特征阻抗为Z1。那么它可等效为一特征阻抗为Z1/n2的串联短路线与特征阻抗为Z2/n2传输线的串联。:tgl单位元件11211cossin11sin/cos/11ljZljZjlZljZ12222112121101111/1/1(1/1/)1/11LjZAjZjjZjZZZZZ22212222222212121/11/11/1/1/01()/11RjZnjZnAjZZnjnZjnZZZnZZ2211/设计一个三阶微带低通滤波器,fc=4GHz,通带波纹为0.1dB,阻抗Z0=50Ω。1.确定电路原型2.用Richard变换定Z03.Kuroda恒等式(变换)4.反归一化)4.平行耦合微带线实现BPF、BSF2001412130001eoeoZZssjCsCCZZ耦合微带线开路：端口4全输出1.确定电路原型3.查表、曲线或近似公式计算导带的宽度和耦合缝宽ZoooeZ、耦合微带线实现BPF的设计过程：39平行耦合谐振单元带通滤波器0.592.8522.7722.7560.3850.5750.595单位：mm0.1610.5400.73089101112－80－60－40－200f/GHzS21S11IL/dB(a)(b)40同轴腔体低通滤波器41（1）三节低通原型元件值为:g0=g4=1,g1=g3=1.0316,g2=1.1474。（2）进行低通变换FZfgCHfZgLL12012291013110652.32102098.82微带基板参数：Er=10.8H=1.27mmT=0.035mmtanD=0.001cond=5.86e7；用ADS微带线计算工具计算微带线的参数。特征阻抗24Ω50Ω93Ω微带线宽W3.9mm1.1mm0.16mm42（4）高、低阻抗线的物理长度可以由以下公式得到：mmCZlmmZLarctglCCgLCLCgLL4782867200.arcsin.43（5）建模仿真4445作业：对下面结构的微带支节低通滤波器的两种设计进行原理图和版图仿真，并分析其特性。考虑终端效应的终端开路微带分支线控件：微带线控件：46例二、设计一平行耦合线带通滤波器，其设计指标为：通带3.0－3.1GHz，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。1.在工具栏中选择耦合线、微带线以及控件MSUB分别放置在绘图区中，将电路连接好。472.用微带线计算工具计算50Ω、四分之一波长微带宽度和长度483.设置耦合微带线的参数双击两边的引出线TL1、TL2，分别将其宽与长设为1.52mm和2.5mm平行耦合线滤波器的结构是对称的，所以第1、5及2、4节微带线长L、宽W和缝隙S的尺寸是相同的。耦合线的这些参数是滤波器设计和优化的主要参数，因此要用变量代替，便于后面修改和优化。W1与W2参数代表耦合微带线左右相邻两侧的微带器件的线宽，在设置W1、W2时，为了让它们显示在原理图上，要把Displayparameteronschematic的选项勾上。49504.添加变量单击工具栏上的VAR图标；放置在原理图上，依次添加各耦合线节的W，L，S参数。耦合线节的长L约为四分之一波长，缝隙的宽度最窄只能取0.2mm(最好取0.5mm以上)。515.S参数仿真优化设置52设置完优化目标后保存原理图。点击按钮进行优化仿真。优化过程中的状态窗口显示优化的结果，其中的CurrentEF表示与优化目标的偏差，数值越小表示越接近优化目标，0表示达到了优化目标。在多次优化完成后，要点击原理图窗口菜单中的Simulate-UpdateOptimizationValues保存优化后的变量值(在VAR控件上可以看到变量的当前值)，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。6.进行参数优化5354优化完成后必须关掉优化控件，点击按钮，然后点击优化控件OPTIM、GOAL和TERM、SP7.生成版图55•执行菜单命令【Layout】-【Generate/UpdateLayout】，弹出一个设置对话框，这里应用其默认设置，直接单击OK。•在版图窗口执行菜单命令【Momentum】-【Substrate】-【UpdateFromSchematic】，将原理图的基板和微带参数更新到版图中。•在版图窗口执行菜单命令【Momentum】-【Substrate】-【Creat/Modify】，可以查看和修改基板和微带的基本参数。8.版图仿真•在版图窗口执行菜单命令【