微波滤波器的设计

微波滤波器的设计(基于ADS2009及以下版本)微带滤波器的技术指标„通带边界频率与通带内衰减、起伏„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„寄生通带微带滤波器的技术指标（续）„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dΥ/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。ADS软件的启动„启动ADS进入如下界面创建新的工程文件„点击File-NewProject设置工程文件名称（本例中为Filter）及存储路径„点击LengthUnit设置长度单位为毫米创建新的工程文件（续）„工程文件创建完毕后主窗口变为下图创建新的工程文件（续）„同时原理图设计窗口打开微带滤波器的设计„平行耦合线带通滤波器的设计„下图是一个微带带通滤波器及其等效电路，它由平行的耦合线节相连组成，并且是左右对称的，每一个耦合线节长度约为四分之一波长(对中心频率而言)，构成谐振电路。我们以这种结构的滤波器为例，介绍一下设计的过程。等效电路微带滤波器的设计（续）„设计指标：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。„在进行设计时，主要是以滤波器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21(S12)是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及衰减、起伏全都表现在S21(S12)随频率变化曲线的形状上。S11(S22)参数是输入、输出端口的反射系数，由它可以换算出输入、输出端的电压驻波比。如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，并且影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。S11和VSWR的关系Γ===011112aabSΓ−Γ+==11MINMAXVVVSWRWhenotherportismatched111111SSVSWR−+=生成滤波器的原理图„在原理图设计窗口中选择微带电路的工具栏„窗口左侧的工具栏变为右图所示„在工具栏中点击选择耦合线Mcfil并在右侧的绘图区放置„选择微带线MLIN以及控件MSUB分别放置在绘图区中„选择画线工具将电路连接好，连接方式见下页图生成滤波器的原理图（续）设置微带电路的基本参数„上页图中五个Mcfil表示滤波器的五个耦合线节，两个MLIN表示滤波器两端的引出线„双击图上的控件MSUB设置微带线参数„H:基板厚度(0.8mm)„Er:基板相对介电常数(4.3)„Mur:磁导率(1)„Cond:金属电导率(5.88E+7)„Hu:封装高度(1.0e+33mm)„T:金属层厚度(0.03mm)„TanD:损耗角正切(1e-4)„Roungh:表面粗糙度(0mm)设置微带电路的基本参数（续）„修改微带线参数窗口(左图)，也可以点击MSUB下面的文字直接进行修改(右图)，但要注意数字与单位之间有一个空格.15微带线计算工具„滤波器两边的引出线是特性阻抗为50欧姆的微带线，它的宽度W可由微带线计算工具得到，具体方法是点击菜单栏Tools-LineCalc-StartLinecalc，出现一个新的窗口(如下页图)。„在窗口的SubstrateParameters栏中填入与MSUB中相同的微带线参数。„在CpmpnetParameters填入中心频率(本例中为3.05GHz)。„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栏中的箭头，可以进行W、L与Z0、E_Eff间的相互换算。„填入50Ohm和90deg可以算出微带线的线宽1.52mm和长度13.63mm(四分之一波长)。微带线计算工具（续）微带线计算工具（续）„另外打开的一个窗口显示当前运算状态以及错误信息。设置微带器件的参数„双击两边的引出线TL1、TL2，分别将其宽与长设为1.52mm和2.5mm(其中线长只是暂定，以后制作版图时还会修改)。„平行耦合线滤波器的结构是对称的，所以五个耦合线节中，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。„双击每个耦合线节设置参数，W、S、L分别设为相应的变量，单位mm，其中的W1与W2参数代表该器件左右相邻两侧的微带器件的线宽，它们用来确定器件间的位置关系。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。耦合线节参数设置窗口设置微带器件参数后的原理图添加变量„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，依次添加各耦合线节的W，L，S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Optimization/StatisticsSetup…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（见下页图）。„耦合线节的长L约为四分之一波长(根据中心频率用微带线计算工具算出)，微带线和缝隙的宽度昀窄只能取0.1mm(昀好取0.2mm以上)。变量设置窗口S参数仿真电路设置„在原理图设计窗口中选择S参数仿真的工具栏„选择Term放置在滤波器两边，用来定义端口1和2，点击图标，放置两个地，并按照下页图连接好电路。„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，频率范围根据滤波器的指标确定(要包含通带和阻带的频率范围)。S参数仿真电路设置（续）优化目标的设置„在原理图设计窗口中选择优化工具栏„选择优化设置控件放置在原理图中，双击该控件设置优化方法及优化次数。„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优化目标的设置（续）„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。„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SP1„Min和Max是优化目标的昀小与昀大值。„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。优化目标的设置（续）优化目标的设置（续）„这里总共设置了四个优化目标，前三个的优化参数都是S21，用来设定滤波器的通带和阻带的频率范围及衰减情况(这里要求通带衰减小于2dB，阻带衰减大于40dB)，昀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-20dB)，具体数值见下页图。„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。优化目标的设置（续）进行参数优化„设置完优化目标后昀好先把原理图存储一下，然后就可以进行参数优化了。„点击工具栏中的Simulate按钮就开始进行优化仿真了。在优化过程中会打开一个状态窗口显示优化的结果(见下页图)，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图形显示窗口。„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。进行参数优化（续）„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。观察仿真曲线„优化完成后必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。方法是点击原理图工具栏中的按钮，然后点击优化控件OPTIM，则控件上打了红叉表示已经被关掉。„要想使控件重新开启，只需点击工具栏中的按钮，然后点击要开启的控件，则控件上的红叉消失，功能也重新恢复了。„对于原理图上其他的部件，如果想使其关闭或开启，也可以采取同样的方法。关闭优化控件后的原理图观察仿真曲线„点击工具栏中的Simulate按钮进行仿真，仿真结束后会出现图形显示窗口。观察仿真曲线（续）„点击图形显示窗口左侧工具栏中的按钮，放置一个方框到图形窗口中，这时会弹出一个设置窗口(见下页图)，在窗口左侧的列表里选择S(1,1)即S11参数，点击Add按钮会弹出一个窗口设置单位(这里选择dB)，点击两次OK后，图形窗口中显示出S11随频率变化的曲线。„用同样的方法依次加入S22，S21，S12的曲线，由于滤波器的对称结构，S11与S22，以及S21与S12曲线是相同的。„为了准确读出曲线上的值，可以添加Marker，方法是点击菜单中的Marker-New，出现InstertMarker的窗口，接着点击要添加Marker的曲线，曲线上出现一个倒三角标志，点击拖动此标志，可以看到曲线上各点的数值。选择仿真曲线参数及其单位观察仿真曲线观察仿真曲线（续）„观察S11(S22)和S21(S12)曲线是否满足指标要求(包括优化目标中未设定的带内起伏小于1dB的要求)，如果已经达到指标要求，就可以进行版图的仿真了。„版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但是它的计算比较复杂，需要较长的时间，在此作为对原理图设计的验证。所以在版图仿真前要看一下相邻各耦合线节的微带线宽是否相差过大，如果相差过大就会造成原理图和版图仿真有较大的差别，这就需要改变变量初值重新进行优化。版图的仿真„首先要由原理图生成版图，生成版图前先要把原理图中用于S参数仿真的两个Term以及接地去掉，不让他们出现在生成的原理图中。去掉的方法与前面关掉优化控件的相同，都是使用按钮，把这些元件打上红叉(见下页图)。„然后点击菜单中的Layout-Generate/UpdateLayout，弹出一个设置窗口，直接点OK，又出现一个窗口，再点OK，完成版图的生成，这时会打开一个显示版图的窗口，里面有刚生成的版图(见后面几页的图)。用于生成版图的原理图生成版图的设置窗口版图仿真的窗口版图的仿真„版图生成后先要设置微带电路的基本参数(即原理图中MSUB里的参数)，方法是点击版图窗口菜单中的Momentum-Substrate-UpdateFromSchematic从原理图中获得这些参数，点击Momentum-Substrate-Create/Modify可以修改这些参数。版图的仿真（续）„为了进行S参数仿真还要在滤波器两侧添加两个端口，做法是点击工具栏上的Port按钮，弹出port设置窗口，点击OK关闭该窗口，在滤波器两边要加端口的地方分别点击加上两个port，将版图放大后可以看到两个端口(见下图中的P1、P2)。版图的仿真（续）„点击Momentum-Simulation-S-parameter弹出仿真设置窗口，该窗口右侧的SweepType选择Adaptive，起止频率设为与原理图中相同，采样点数限制取10(因为仿真很慢，所以点数不要取得太多)。然后点击Update按钮，将设置填入左侧列表中，点击Simulate按钮开始进行仿真。仿真过程中会出现一个状态窗口显示仿真进程(见下页图)。„仿真运算要进行数分钟，仿真结束后将出现曲线显示窗口，观察S11和S21曲线，性能有不同程度的恶化，此处要求S21在通带内衰减小于2.5dB，起伏小于1dB，阻带衰减大于40dB。S11在通带内昀好小于-15dB。版图仿真设置窗口以及状态窗口版图仿真的曲