微带波滤波器的设计

波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号,使其不能通过滤波器,只让需要的信号通过。在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重要的意义。微带电路具有体积小，重量轻、频带宽等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应用之一，因此本节将重点研究如何设计并优化微带滤波器。1微带滤波器的原理微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还是值得应用的。2滤波器的分类最普通的滤波器的分类方法通常可分为低通、高通、带通及带阻四种类型。图12.1给出了这四种滤波器的特性曲线。按滤波器的频率响应来划分，常见的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及椭圆型等；按滤波器的构成元件来划分，则可分为有源型及无源型两类；按滤波器的制作方法和材料可分为波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带滤波器。3微带滤波器的设计指标微带滤波器的设计指标主要包括：1绝对衰减（Absoluteattenuation）：阻带中最大衰减（dB）。2带宽（Bandwidth）：通带的3dB带宽（flow—fhigh）。3中心频率：fc或f0。4截止频率。下降沿3dB点频率。5每倍频程衰减（dB/Octave）：离开截止频率一个倍频程衰减（dB）。6微分时延（differentialdelay）：两特定频率点群时延之差以ns计。7群时延（Groupdelay）：任何离散信号经过滤波器的时延（ns）。8插入损耗（insertionloss）：当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减，dB9带内波纹（passbandripple）：在通带内幅度波动，以dB计。10相移（phaseshift）：当信号经过滤波器引起的相移。11品质因数Q（qualityfactor）：中心频率与3dB带宽之比。12反射损耗（Returnloss）13形状系数（shapefactor）：定义为。14止带（stopband或rejectband）：对于低通、高通、带通滤波器，指衰减到指定点（如60dB点）的带宽。工程应用中，一般要求我们重点考虑通带边界频率与通带衰减、阻带边界频率与阻带衰减、通带的输入电压驻波比、通带内相移与群时延、寄生通带。前两项是描述衰减特性的，是滤波器的主要技术指标，决定了滤波器的性能和种类(高通、低通、带通、带阻等)；输入电压驻波比描述了滤波器的反射损耗的大小；群时延是指网络的相移随频率的变化率，定义为dU/df，群时延为常数时，信号通过网络才不会产生相位失真；寄生通带是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的，它是离设计通带一定距离处又出现的通带，设计时要避免阻带内出现寄生通带。4微带滤波器的设计本小节设计一个微带低通滤波器，滤波器的指标如下：通带截止频率：3GHz。通带增益：大于-5dB，主要由滤波器的S21参数确定。阻带增益：在4.5GHz以上小于-48dB，也主要由滤波器的S21参数确定。通带反射系数：小于-22dB，由滤波器的S11参数确定。在进行设计时，我们主要是以滤波器的S参数作为优化目标。S21(S12)是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及增益、衰减全都表现在S21(S12)随频率变化的曲线上。S11(S22)参数是输入、输出端口的反射系数，如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。了解了滤波器的设计原理以及设计指标后，下面开始设计微带低通滤波器。4.1建立工程新建工程，选择【File】→【NewProject】，系统出现新建工程对话框。在name栏中输入工程名：microstrip_filter，并在ProjectTechnologyFiles栏中选择ADSStandard：Lengthunit——millimet，默认单位为mm，如图12.2所示。单击OK，完成新建工程，此时原理图设计窗口会自动打开。4.2原理图和电路参数设计工程文件创立完毕后，下面介绍微带低通滤波器的原理图设计过程。1）在原理图设计窗口中选择TLines-Microstrip元件面板列表，窗口左侧的工具栏变为如图12.3所示。并选择6个MLIN、5个MLOC、1个MSUB按照图12-4所示的方式连接起来。2）设置图12-4中的控件MSUB微带线参数H:基板厚度(0.1mm)Er:基板相对介电常数(2.16)Mur:磁导率(1)Cond:金属电导率(6.14E+7)Hu:封装高度(1.0e+33mm)T:金属层厚度(0.001mm)TanD:损耗角正切(1e-3)Roungh:表面粗糙度(0mm)完成设置的MSUB控件如图12.5所示。3）滤波器两端的引出线是50Ohm的微带线，它的宽度W可由微带线计算工具算出。选择【Tools】→【LineCalc】→【StartLineCalc】命令。在打开的窗口中输入如图12-6所示的内容。在SubstrateParameters栏中填入与MSUB相同的微带线参数。在ComponentParameters栏中填入中心频率（本例为3.0GHz）。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栏中的和箭头，可以进行W、L与Z0、E_Eff间的相互换算。本例中Z0为50Ohm，E_Eff为45deg，W为0.31008mm，L为9.18284mm。另外打开的一个窗口显示当前运算状态以及错误信息，如图12.7所示。4）双击两边的引出线TL1、TL6，分别将其宽与长设为0.31006mm和1.5mm。其余的微带线长度设为9.18284，宽度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。微带滤波器的结构是对称的，因此设置了W1、W2、W3、W4、W5共5个变量。双击每个微带线设置参数，W分别设为相应的变量，单位mm。在设置宽度的5个变量时，为了让它们显示在原理图上，要把Displayparameteronschematic的选项勾上。设置完变量的原理图如图12.8所示。5）由于原理图中的MLIN和MLOC的宽度都是变量，因此需要在原理图中添加一个变量控件。单击工具栏上的VAR图标，把变量控件VAR放置在原理图上，双击该图标弹出变量设置窗口，依次添加各微带线的W参数。在Name栏中填变量名称，VariableValue栏中填变量的初值，点击Add添加变量，然后单击Tune/Opt/Stat/DOESetup…按钮设置变量的取值范围，其中的Enabled/Disabled表示该变量是否能被优化，MinimumValue表示可优化的最小值MaximumValue表示可优化的最大值，如图12.9，12.10所示。微带滤波器中微带线的变量值及优化范围设置如下。W1=0.1679opt{0.1to2}，表示W1的默认值为0.1679，变化范围为0.1到2。W2=0.4772opt{0.1to2}，表示W2的默认值为0.4772，变化范围为0.1到2。W3=0.5124opt{0.1to2}，表示W3的默认值为0.5124，变化范围为0.1到2。W4=0.1269opt{0.1to2}，表示W4的默认值为0.1269，变化范围为0.1到2。W5=0.1203opt{0.1to2}，表示W5的默认值为0.1203，变化范围为0.1到2。这样一个完整的微带低通滤波器的电路就完成了，如图12.11所示。4.3S参数仿真设置和原理图仿真上面已经详细的阐述了原理图的设计以及电路参数的设置，下面介绍S参数仿真设置和原理图仿真。在执行仿真之前，先进行S参数仿真设置。1）S参数仿真设置在原理图设计窗口中选择S参数仿真工具栏，Simulation-S_Param。选择Term放置在滤波器两边，用来定义端口1和2，并放置两个地，按照图12.12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。双击S参数仿真控制器，参数设置如下。Start=0GHz，表示频率扫描的起始频率为0GHz。Stop=5GHz，表示频率扫描的终止频率为5GHz。Step=0.01GHz，表示频率扫描的频率间隔为0.01GHz。完成参数设置的S参数仿真控制器如图12.13所示。调整电路原理图和各种控件，最终得到的电路原理图如图12.14所示。这样就完成了微带低通滤波器S参数的仿真设置，下面开始对滤波器进行仿真。2）原理图仿真单击工具栏上的simulate按钮或是点击simulate→simulate，当仿真结束后，系统会自动弹出一个数据显示窗口，在数据显示窗口中插入一个S21参数的矩形图，再点击maker→New，可在图中加一标记，如图12.15所示。从图中可以看出，S21参数曲线是一个低通滤波器的形状，但是与设计指标的要求还有一定的差距。以同样的方式插入一个S11参数的矩形图，加上一个Marker点，如图12.16所示。从图中可以看出，S11在通带内基本满足工程设计的要求，但是还有待于进一步改善，使端口的反射系数更小。通过仿真我们可以看出，滤波器的参数指标还不满足要求，这就需要我们通过优化仿真来使滤波器的参数满足设计的要求，下面就来介绍关于电路优化方面的内容。4.4优化电路参数由于滤波器的参数并未达到指标要求，因此需要优化电路参数，使之达到设计要求。优化电路参数的具体步骤如下：1)在原理图设计窗口中选择优化面板列表optim/stat/Yield/DOE,在列表中选择优化控件optim，双击该控件设置优化方法和优化次数，常用的优化方法有Random(随机)、Gradient(梯度)等。随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛。设置完成的控件如图12.17所示。2）在优化面板列表中选择优化目标控件Goal放置在原理图中，双击该控件设置其参数，如图12.18所示。Expr是优化目标名称，其中dB(S(2,1))表示以dB为单位的S21参数的值。SimlnstanceName是仿真控件名称，这里选择SP1Min和Max是优化目标的最小与最大值。Weight是指优化目标的权重。RangeVar[1]是优化目标所依赖的变量，这里为频率freq。RangeMin[1]和RangeMax[1]是上述变量的变化范围。这里总共设置了三个优化目标，前二个的优化参数都是S21，用来设定滤波器的通带和阻带的频率范围及衰减情况，最后一个的优化参数是S11，用来设定通带内的反射系数(这里要求小于-25dB)，具体如图12.19所示。由于原理图仿真和实际情况会有一定的偏差，在设定优化参数时，可以适当增加通带宽度。对于其它的参数，也可以根据优化的结果进行一定的调整。3）设置完优化目标后把原理图存储一下，然后点击工具栏中的Simulate按钮开始进行优化仿真。在优化过程中会打开一个状态窗口显示优化的结果(如图12.20)，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，下面还列出了各优化变量的值，当优化结束时还会打开数据显示窗口。在数据显示窗口中我们可以观察S11参数和S21参数，如图12.21所示。从图中可以看出，滤波器的S11参数和S21参数满足设计要求。需要注意的是在一次优化完成后，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。如果一次优化不能满足设计指标要求，根据情况需要对优化目标、优化变量的取值范围、