毕业设计（论文）-微带高低阻抗线低通滤波器的设计与仿真.doc

安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院毕 业 设 计 (论 文)专专 业业 电子信息工程 班班 级级 学生姓名学生姓名 学学 号号 课课 题题 基于 ads 的微波器件设计与仿真微带高低阻抗线低通滤波器设计与仿真指导教师指导教师 2012 年 6 安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 1 -摘 要近几年随着商用无线通信的迅猛发展，射频/微波电路越来越得到重视和发展。而微波滤波器作为微波器件的一种也得到了大力的发展，尤其是在接收机前端，低通滤波器性能的优劣直接影响到整个接收机性能的好坏。因此，发展高性能，研究小型化的微波滤波器是当前非常受关注的课题。本文首先介绍了微波滤波器的发展历史、在微波通信中的作用、当前的研究情况以及微波仿真软件 ads。然后分析了微带滤波器的二端口网络理论。最后该论文基于仿真软件 ads和推导公式的基础上，介绍了微带线低通滤波器的设计方法，同时借助 ads 软件对所设计的微带线低通滤波器进行了仿真和优化，最终得到比较理想的微带线阶跃低通滤波器，通带0-2.5ghz，带内衰减小于 1db，4ghz 以上衰减大于 18db，端口反射系数小于-20db。关键词关键词: : 微带线 微带线低通滤波器 ads安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 2 -abstractin recent years，along with the high development of wireless communication in business，microwave rf circuit has been attracted more and more attention and also got many achievements. at the same time，as one of the important microwave components，the microwave filters also developed rapidly in recent years. especially，the microwave lpf directly influences the performances of the receivers. so，develop high performance，study miniaturized microwave filter is a hot topic in nowadays.at first，this paper introduces the development history of microwave filters，the function in the microwave communication，the current state of studying the filters and the advanced microwave circuit simulation software ads. then analyzed the two-port network of filters, with the software ads and the formula which had been proved in this paper, introduced a design method of microstrip lpf ,stimulated and optimized the designed microstrip lpf with the help of software ads. a good performance low pass filter was completed finally. pass band 0-2.5ghz, in the belt weakens is smaller than 1db, 4ghz weakens is bigger than 18db, the port reflection factor is smaller than - 20db.keywords : microstrip microstrip stepped-impedance lpf ads目 录摘摘 要要.- 1 -安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 3 -abstract.- 2 -目目 录录.- 3 -第第 1 章章 绪绪 论论 .- 5 -1.1 通信领域滤波器的发展历史.- 5 -1.2 微波滤波器在微波通信的作用.- 5 -1.3 当前研究情况 .- 6 -1.3.1 高温超导滤波器.- 6 -1.3.2 lc 滤波器.- 6 -1.3.3 声表面波(saw)滤波器.- 7 -1.4 ads 软件介绍.- 7 -1.5 本文的目的和意义.- 7 -1.6 本章小结.- 8 -第第 2 2 章章 滤波器是最基本的信号处理器件滤波器是最基本的信号处理器件 .- 9 -2.1 滤波器的分类.- 9 -2.2 滤波器的主要参数.- 9 -2.3 滤波器设计理论.- 10 -2.3.1 低通滤波器的设计是基础.- 10 -2.3.2 原型滤波器的元件值的归一化及其计算.- 12 -2.4 本章小结 .- 13 -第第 3 3 章章 微带线理论微带线理论.- 14 -3.1 传输线的种类.- 14 -3.2 分布参数及分布参数电路.- 14 -3.3 传输线方程及解.- 15 -3.3.1 传输线方程.- 15 -3.3.2 传播常数.- 19 -3.3.3 特性阻抗.- 20 -3.3.4 传输线的输入阻抗.- 21 -3.3.5 反射系数的定义和公式的表示.- 21 -3.3.6 传输线的匹配.- 22 -3.3 本章小结.- 23 -第第 4 4 章章 微带线低通滤波器的设计与仿真微带线低通滤波器的设计与仿真 .- 24 -4.1 微带线尺寸的计算.- 24 -4.2 微带低通滤波器的设计.- 25 -4.3 软件仿真 .- 28 -4.3.1 原理图仿真.- 28 -安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 4 -4.3.2 版图仿真.- 32 -4.3.3 实物制作.- 35 -4.4 本章小结.- 36 -结结 论论.- 37 -致致 谢谢.- 38 -参考文献参考文献.- 39 - 第第 1 章章 绪绪 论论当前，无线通信技术高速发展，业务范围不断扩大，人们对无线产品的需求迅速增长，滤波器在这些产品电路中就扮演着重要的角色，并随着通信技术的发展而取得不断进展。新安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 5 -的通信系统要求发展一种能在特定的频带内提取和检出信号的新技术，而这种新技术的发展进一步加速了滤波器技术的研究和发展。由于在通迅，雷达，微波等部门，多频率工作越来越普遍，对分隔频率的要求也相应地提高，所以需用大量的滤波器。同时，微波固体器件的应用对滤波器的发展也有推动作用。象参数放大器、微波固体倍频器、微波固体混频器等类器件都是多频率工作的，都需要用相应的滤波器。1.1 通信领域滤波器的发展历史1915 年，德国科学家 k.w.wagner 开创了一种现已闻名于世的瓦格纳滤波器设计方法。与此同时，在美国 ga.canbeu 发明了另一种影像参数的设计方法。随着这些技术的突破，许多科技人员开始积极地和系统地对采用集总元件电感和电容的滤波器设计理论进行研究。随后，1940 年出现了包括两个特定设计步骤的精确的滤波器设计方法.第一步是确定符合特性要求的传递函数，第二步是由先前的传递函数所估计的频率响应来综合电路。现在所采用的很多滤波器设计技术就是基于这一早期的设计方法。不久随着通信频带的加宽，进入到微波领域，滤波器设计从而由原先的集总元件 lc 谐振器扩展到一个新的领域，即分布元件同轴谐振器和波导谐振器。同时，滤波器材料领域也取得了很大的发展，极大地推动了滤波器的发展。1939 年，p.d.richtmeyer 报道了介质谐振器。他利用了介质块的电磁谐振，有小尺寸和高 q 值两个显著的特点，然而由于当时的材料温度稳定性不高使该种滤波器不能在实际中得到广泛的应用。70 年代，各种具有优异的温度稳定性和高 q 值的陶瓷材料的发展增加了介质滤波器的实际应用的可行性。随着陶瓷材料的发展，该滤波器的应用得到了迅速的发展。在现有的射频和微波通信器材中介质滤波器己成为最重要、最常见的元件之一。此外，80 年代出现的高温超导材料，被认为很有可能被用于设计极低损耗和极小尺寸的新颖微波滤波器，许多研发人员己致力于它们的研究和实际应用。1.2 微波滤波器在微波通信的作用进入21世纪，人类进入了信息时代，对信息的价值越来越重视，对通信的要求越来越高，各种通信系统相继发展起来。与此同时，信号频域变得越来越拥挤，各种频段的通信系统相继出现，为了避免这个频段间的串扰，高选择性的滤波器被广泛地关注和使用，并成为通信系统中至关重要的器件。当频率达到微波波段后，集总元件实现滤波就变得不现实。为了实现对无线通信系统频率的选择性，抑制不需要频率成分，并将需要的成分无损耗传输的任务，微波滤波器起到了至关重要的作用。为了让主频无损耗传输，干扰尽可能的抑制，微波滤波器的性能，很大程度上决定信号的质量，直接影响到系统的性能。基于微带滤波器结构简单、易加工等优点，微带滤波器的研究与设计显得尤为重要。安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 6 -1.3 当前研究情况随着现代材料科学与电子信息科学技术的交叉渗透和全面发展，全固态化的各类片式高频、微波滤波器和中频滤波器，向着高性能、低成本、小型化、高频化等各方面飞速发展。1.3.1 高温超导滤波器高温超导体的发现，是 20 世纪基础研究的一个极为重要的成果，近 10 年来，人们对高温超导体电性能的研究取得了长足的进步。与此同时，一批性能卓越的高温超导微波无源器件也相继诞生了。高温超导(hts)材料具有接近于无耗的特性，利用它可以构成高质量的微波谐振器、滤波器、多工器和天线等。利用高温超导(hts)薄膜可构成微带、带状线、波导滤波器等。这些滤波器具有极高的无载 q 值、理想的微波特性、很低的插入损耗和带内衰减，并且有非常陡的平移特性，而且滤波器的尺寸可以做得很小，易于与其它微波集成电路元件集成。这样可以充分利用信号频带，增加互不干扰的信道数量，并能避免信号传输失真，超导滤波器不仅带内衰减低，而且相位延时和色散特性也大为改善，具有诱人的发展前景。1.3.2 lc 滤波器利用单片微波集成电路(mmic)技术和微电子机械系统(mems)制作电容和电感，可在高频段获得高 q 值和高稳定的低电感与低电容值，小型紧凑的多层结构可减少寄生参数，同时通过调制层微调电容量和改进线圈设计等方法克服 l、c 离散，获得稳定的谐振频率。新技术的使用使得微波滤波器向小型化、低功耗方向发展。1.3.3 声表面波(saw)滤波器射频 saw 滤波器以其小型轻量及优良的性能价格比，广泛用于各类移动电话的级间带通滤波。新一代移动通信进一步促进 saw 滤波器继续向小型化、高频化、复合化发展。早期的saw 普遍采用 3.0 x3.0(mm)的尺寸规格，现在随着微电子技术进入亚微米时代，0.4-0.5mm加工技术已趋成熟，可满足 1.8-2.4ghz 频段 saw 器件 idt 的设计制造要求。1.4 ads 软件介绍先进设计系统 (advanced design system)，简称 ads，是安捷伦科技有限公司(agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款eda 软安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 7 -件。ads 电子设计自动化功能十分强大，包含时域电路仿真 (spice-like simulation)、频域电路仿真 (harmonic balance、linear analysis)、三维电磁仿真 (em simulation)、通信系统仿真 (communication system simulation)、数字信号处理仿真设计（ dsp） ；ads 支持射频和系统设计工程师开发所有类型的rf 设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天 /国防的集成 mmic，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件 。1.5 本文的目的和意义目的：了解微波滤波电路的原理及设计方法。学习使用 ads 软件进行微波电路的设计，优化，仿真。掌握微带低通滤波器的设计及仿真方法。意义：低通滤波器是一个允许 低频段的波通过同时屏蔽 高频段的设备。比如 rc 振荡回路就是一个模拟 低通滤波器。一个理想的低通滤波器应该有平稳的通带，同时 限制限制所有通带外频率的波通过。但是实际上，没有真正意义的理想 低通滤波器。真实的滤波器无法完全过滤掉所设计的通带之外的频率的波。事实上，在理想通带边界有一部分频率衰减的区域，不能完全过滤，这一曲线被称做滚降斜率。滚降斜率通常用db 度量来表示频率的衰减程度。一般情况下，滤波器的设计就是把这一衰减区域做的尽可能的窄，以便该滤波器能最大限度接近完美通带的设计。1.6 本章小结本章主要对滤波器的发展历史，在通信领域的作用，研究情况，以及制作滤波器所要用的元件 ads 进行了介绍。其中对滤波器的当前研究情况进行了详细的介绍，滤波器向三个方面发展高温超导滤波器，lc滤波器，以及声表面滤波器。总之滤波器向着低成本、小型化、高频化等各方面飞速发展。安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 8 -第 2 章 滤波器是最基本的信号处理器件2.1 滤波器的分类最普通的滤波器有低通、高通、带通、带阻衰减特性（如图 2-1 所示） 。图 2-1 四个普通滤波器的特性曲线可以从不同角度对滤波器进行分类：(a)按功能分，有低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器，可调滤波器。(b)按用的元件分，有集总参数滤波器，分布参数滤波器，无源滤波器，有源滤波器，晶体安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 9 -滤波器，声表面波滤波器，等等。2.2 滤波器的主要参数(1)绝对衰减（absolute attenuation）：阻带中最大衰减（db）(2)带宽（bandwidth）：通带的 3db 带宽（flowfhigh）(3)中心频率：或cf0f(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(differential delay)：两特定频率点群时延之差以 ns 计(7)群时延(group delay)：任何离散信号经过滤波器的时延(ns)(8)插入损耗(insertion loss)：当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减，db(9)带内波纹(passband ripple)：在通带内幅度波动，以 db 计(10)相移(phase shift)：当信号经过滤波器引起的相移(11)品质因数 q(quality factor)：中心频率与 3db 带宽之比(12)反射损耗(return loss)(13)形状系数(shape factor)：定义为 点点dbbwdbbw360(14)止带(stop band 或 reject band)：对于低通、高通、带通滤波器，指衰减到指定点(如60db 点)的带宽。2.3 滤波器设计理论2.3.1 低通滤波器的设计是基础（1）高通滤波器可用带通滤波器（当通带高端很高时）代替。（2）带阻滤波器可看成低通滤波器与高通滤波器的组合。（3）低通滤波器是带通滤波器的特例。（4）低通滤波器原型可作为带通滤波器设计基础。两种常见的低通滤波器原型（1) 最大平坦低通滤波器特性曲线(如图 2-2 所示)：安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 10 -图 2-2 最大平坦低通滤波器特性曲线数学表示式如（2-1）:db (2-1) nal211lg10（2-1）中 满足关系式（2-2）： (2-2)arl1lg10n 对应于电路所需级数。特点： = 0 处(2n-1)阶的导数=0定义为衰减 3db 的频带边缘点,1(2) 切比雪夫低通滤波器特性曲线（如图 2-3 所示）： 图 2-3 切比雪夫低通滤波器特性曲线数学表示式如（2-3） 、 （2-4）： (2-3) 1112coscos1lg10nla安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 11 - (2-4) 1112coshcosh1lg10nla(2-3),(2-4)中 满足关系式(2-5)： (2-5)arl1lg10n 仍旧是电路里电抗元件的数目。特点：带内衰减呈波纹特性定义为等波纹频带的边缘频率。最大平坦衰减特性曲线与切比雪夫特性曲线比较可以看出：1、若通带内允许的衰减量和电抗元件的数目 n 为一定，则切比雪夫滤波器的截止速率arl更快11。因为其截止陡削，所以常常宁可选择切比雪夫特性曲线而不取其他的特性曲线。2、假如滤波器中的电抗元件的损耗较大，那么无论那种滤波器的通带响应的形状与无耗时的比较，都将发生变化，而在切比雪夫滤波器中这种影响尤其严重。3、理论证明了最大平坦滤波器的延迟畸变要比切比雪夫滤波器小。2.3.2 原型滤波器的元件值的归一化及其计算目的：提高设计通用性归一化定义：= = 1 或= = 10g0r0g0g= 11对于两端带有电阻终端的最大平坦滤波器，给定= 3db、= 1 和= 1，则其原型arl0g1元件值可以按下式计算： , k=1,2,n (2-6)nkga212sin2= 1、0g11ng对于两端具有电阻终端的切比雪夫滤波器，当其通带波纹为、= 1 和= 1，dblar0g1它的原型元件值可按以下各式计算：安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 12 - (2-7)37.13cothlnarl (2-8)n2sinh , k=1,2,n (2-9)nkak212sin , k=1,2,n (2-10)nkbksin2 (2-11)112ag , k=2,3,n (2-12)1114kkkkkgbaag当 n 为奇数时， (2-13)11ng当 n 为偶数时 (2-14)4coth21ng2.4 本章小结 本章主要介绍了滤波器的分类，滤波器的主要性能参数，滤波器的设计理论，并对两种低通滤波器的原型最大平坦低通滤波器和切比雪夫低通滤波器的特性曲线以及数学表达式进行了详细的分析，并介绍了原型滤波器的元件值的归一化及其计算。安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 13 -第 3 章 微带线理论3.1 传输线的种类凡是能够引导电磁波沿一定方向传输的导体、介质系统均可成为传输线，微波传输线不仅可以用来传输电磁能量，还可以用来构成多种微波元件，传输线的种类繁多，按其传输的电磁波类型可以分为三类：1tem 波传输线，其中包括平行双线、同轴线、带状线和微带线等。这类传输线主要用来传输 tem 波，具有频带宽的特点。但在高频传输电磁波能量损耗较大。2te 波和 tm 传输线，又称包微波传输线，其中包括矩形波导、圆波导、脊波导和椭圆波导等，这类传输线主要用来传输 te 波和 tm 等色散波，具有损耗小、功率容量大、体积大而带宽窄等特点。3表面波传输线，包括介质波导、镜像线、单极线，他主要用于传输表面波，电磁波能量沿传输线表面传输，这类传输线具有结构简单、体积小、功率容量大等特点，主要用于毫米波段，用来制作表面天线及某些微波元件。一般对微波传输线基本要求是：能量损耗小、传输效率高、功率容量大、工作频带宽、尺寸均匀等。目前，微波波段使用最多的是矩形波导、圆波导、同轴线、带状线和微带线。3.2 分布参数及分布参数电路传输线有长线和短线之分，所谓长线是指传输线的几何长度与线上传输电磁波的波长比值（电长度）大于或接近于 1，反之成为短线。长线和短线只是一个相对概念，均相对电磁波波长而言，长线并不意味着几何长度很长，而短线也并不意味着几何长度很短。例如在微波领域中，1m 的传输线对于安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 14 -1000mhz（波长 30cm）的电磁波而言属于长线，在电力系统中 1000mhz 的输电线对于频率 50hz（波长为 6000km）的交流而言却是短线。根据传输线的分布参数，可分为均匀分布参数和不均匀分布参数，本节主要研究长线的分布参数，是沿线均匀分布，不随位置而变化，均匀传输线一般有四个分布参数，分别用单位长度传输线分布电阻（） 、分布电导（） 、分布电感（） 、分布0rm/0gms /0lmh /电容（）来描述，他们的值取决于传输线的类型、尺寸、导体材料和周围介质参数，0cmf /可用静态法求得。我们把均匀传输线分割成许多微元段（） （，为工作波长） ，这样每dzzdz个微元段可看成集中参数电路，用一个 t 型网络来等效，于是整个传输线可等效成无穷多个t 型网络纵连。3.3 传输线方程及解3.3.1 传输线方程传输线方程式研究传输线上的电压、电流变化规律及其相互关系的方程，它可由均匀传输线的等效电路导出。 ，取一个微元段，其集中参数分别为，dzdzr0dzg0dzl0dzc0等效电路如图 2 所示。传输线的始端接角频率为的正弦信号源，终端接负载阻抗 zh，坐标原点选在始端。设距始端 z 处的电压和电流分别为 u 和 i，经过段后，电压和电流分dz别为和duu dii dzg1dzc1dzr1dzl1dz安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 15 -图 3-1 均匀传输线及其等效电路图 3-2 段传输线的等效电路z传输线上的电压 u 电流 i，既是坐标 z 的函数也是时间 t 的函数，可分别表示为，),(tzuu ，经过段后，电压和电流的变化量),(tzii dz根据克西可夫定律而知：dzg1dzc1dzr1dzl1dzu(z)dizi)()(zizdzz 安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 16 - （a） （3-1）dzcjgzuzdi)()(00 （b）dzljrzdizizdu)()()()(00展开（b）式得：dzljrzdiljrzizdu)()()(0000从这个式子可以看到增加得 du(z)是在原 i(z)在()上得压降和 di(z)在()上00ljr00ljr得压降之和。由于 di(z),dz 都是小量，故可为： （3-2）dzljrzizdu)()(00根据（1） （2） ，时0dzdzcjgzizdi)()(00 （3-3）dzljrzuzdu)()(00由（3）得： )()(00ljrzidzzdu （3-4）)()(00cjgzudzzdi将（4）对 z 求导得： )()()(0022ljrdzzdizdzud （3-5）)()()(0022cjgdzzduzdzid令，000cjgy000ljrz 00022)()()(yzzuzdzzdizdzud （3-6）00022)()()(yzziydzzduzdzid安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 17 -（6）为二阶常微分方程令解（6）可得：00yzr rzrzebeazu11)( （3-7）rzrzebeazi22)(将（7）代入（4）得： )()(110rzrzebeaydzzdi （3-8）)()(220rzrzebeazdzzdu将（8）变形得：)()(11022rzrzrzrzebeaydzebead)()(22011rzrzrzrzebeazdzebead即 )(11022rzrzrzrzebeayrebrea )(22011rzrzrzrzebeazrebrea所以可以得到系数关系： 001012yzaryaa 0012yzbb令得：00yz rzrzebeazu11)( （3-9）rzrzebeazi11)(边界条件：时，0z2ii 2uu 安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 18 -将边界条件代入（9）得： 112bau （3-10）)(112bai得： )(21221iua （3-11）)(21221iub将（11）代入（9）得：rzrzeiueiuzu2)(2)()(2222 （3-12）rzrzeiueiuzi2)(2)(1)(2222即：)(2)(2)(22rzrzrzrzeeieeuzu （3-13）)(2)(2)(22rzrzrzrzeeieeuzi又2rzrzeechrz2rzrzeeshrz所以shrzichrzuzu22)(22 （3-14）chrzishrzuzi22)(22由（14）知知道传输线终端电压和电流，能求出长线上任一点电压及电流。安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 19 -3.3.2传播常数定义为传播常数，一般为复数；可表示为： （3-15）jcjgljryz)(000000其中为衰减常数，表示行波每经过单位长度后振幅的衰减倍数，单位为分贝/米（） ，mdb/虚部为相移常数，表示行波每经过单位长度后相位滞后的弧度。 ，单位为弧度/米()mrad /对于低耗传输线，一般满足0000,cglr （3-16）)(1)(1000000cjgljrclj )2()2(212100000000000000clglcrcljcjgljrclj由此可得：000000)2()2(clglcr00cl衰减常数是由传输线的导体电阻损耗 ac和填充介质的漏电损耗 ad两部分组成，对于无耗传输线，则有，00r00g000cl由上面分析，它的瞬时电压和电流分别表示为：)sin()sin(),(11ztebzteatzuzz （3-17）)sin()()sin()(),(22zteuzteutzizz其中为入射波电压)sin(1zteaz为反射波电压)sin()(2zteuz安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 20 -3.3.3特性阻抗特性阻抗定义为传输线上入射电压 ui(z)与入射电流 ii(z)之比，或反射电压 uz(z)与反射电流 iz(z)之比的负值，即： （3-18）)()()()()()(00000cjgljrzizuzizuzzzii一般情况下，特性阻抗与频率有关，为复数。对于无耗传输线：000clz 对于微波传输线，也可以近似等于上式。3.3.4传输线的输入阻抗当终端电压、电流决定后，不同的长度传输线，故有不同的输入阻抗或等效阻抗为： （3-19）zhzhintgztgzzizuzz)()()(3.3.5 反射系数的定义和公式的表示传输线上任一点位置 z，反射波电压或电流与入射波电压或电流之比，称为反射系数，即电压反射系数 pu(z)或电流反射系数 pi(z)。电压反射系数： （3-20）zzzjjhhzjuetezziuiuejiueiuzuzuzp22222222)()()()()(如果终端 z 处为零时 （3-21）zjhhuezzzp)(电流反射系数： （3-22）zjhhiezzzizizp)()()( （3-23）)()(zpzpui安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 21 -传输线上任一点处的电压反射系数与电流反射系数大小相等，相位相反。传输线上的任一点处的反射系数为复数，其模等于终端反射系数的模，相位比终端反射系数滞后。z2驻波比与反射系数的关系) 1() 1()(zpu （3-24）3.3.6传输线的匹配 /4 波长匹配段rh终端负载线电阻 传输线特性阻抗1加粗段特性阻抗要求 zin，/4 线段 a、b 之间为匹配传输线，2z24所以： （3-25）hhhhhrztgjrtgjrztgjrztgjrzin21111)2(即：hzinr1zinab/4zh=rh1安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 22 -说明 a，b 上的输入阻抗是 1的函数，只要改变 1就可得到不同的值，例如，要得到匹配，任取一段 /4 的传输线使它的阻抗，在特性阻抗等于hrhzinr1 的线段终端 a，b 所接的负载 （3-26）hhrzinrzin/)(/2213.3 本章小结 本章的主要内容是先介绍传输线的种类，再由理想的均匀传输线等效电路详细地推导传输线方程及其解。然后讲解了特性阻抗、传播常数、传输线的输入阻抗、反射系数及传输线匹配的定义及公式推导。安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 23 -第 4 章 微带线低通滤波器的设计与仿真微带线低通滤波器是一种被广泛研究的微波滤波器类型，它的品种繁多，性能各异，是现代电子系统中的关键部件之一。滤波器在电子电路和系统中的作用是选择某一频带内的低频信号，并把此频带之外的高频信号抑制掉，微带线低通滤波器是一种分布参数滤波器，它是由微带线组成，具有体积小、重量轻、价格低、性能稳定可靠等优点，在微波工程中的应用相当广泛。下面将介绍微带线低通滤波器的一些结构形式及它们的设计图表、公式和设计步骤。4.1 微带线尺寸的计算微带线是目前比较流行的平面传输线，它可以利用 gerber(光绘文件)来加工，并且容易与其他无源和有源的微波器件的集成。微带线是准 tem 模式，它的相速、传播常数和特征阻抗可以由静态或准静态解获得。微带线的有效介电常数可以解释为一个均匀媒介的介电常数：=+ （4-1）e21r21rwd /1211式中，为介质基片的介电常数；d 为介质基片的厚度；w 为金属片的宽度。r给定微带线的尺寸，特征阻抗可以计算为： （4-2）0z)48ln(60dwwde1dw安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 24 - （4-3）0z)444. 1/ln(667. 0393. 1/120dwdwe1dw如果给定特征阻抗和介电常数，可得0zr （4-4）282aaeedw2dw （4-5）61. 039. 0) 1ln(21)12ln(12rrrbbbdw2dw式中，a=)11. 023. 0(1121600rrrrzb=rz02377把微带线考虑成一个准 tem 线，则源于介电损耗的衰减可以确定为 np/m （4-6）) 1(2tan) 1(0reerdk式中，tan是介质的损耗正切角。它考虑了围绕微带线的场部分在空气中（无耗）、部分在介质中这一事实。源于导体损耗的衰减近似地由 np/m (4-7)wzrss0安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 25 -给出，其中是导体的表面电阻。对于绝大多数微带基片，导体损耗比介电损2/0sr耗更为重要。也可利用 ads 软件 linecalc 来计算微带尺寸。4.2 微带低通滤波器的设计用微带线实现低通滤波器的一种相对简单的方法就是用很高和很低特征阻抗的传输线交替排列的结构，这种滤波器通常称为阶跃阻抗（stepped-impedance）或高 z-低 z 滤波器由于它的结构紧凑且较容易设计，因此比较流行。然而，它的电气特性不是很好，故通常用于不需要有陡峭截止响应的场合。设计滤波器的指标如下： 通带截止频率：2.5ghz。 通带增益：大于-1db，主要由滤波器的 s21 参数确定。 阻带增益：在 4ghz 以上小于-18db，也主要由滤波器的 s21 参数确定。 通带反射系数：小于-20db，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。根据设计指标要求，我采用最大平坦低通原型滤波器来设计。因为6 . 015 . 241c由图 4-1 可知，对于 n=6 的曲线，当时，la 18db，故选最大平坦滤波6 . 01c器的阶数 n=6。根据表 4-1 列出 6 阶最大平坦滤波器低通原型元器件值。该低通原型电路如图 4-2 所示。安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 26 -图 4-1 最平坦滤波器原型的衰减与归一化频率的关系曲线 图 4-2 滤波器低通原型电路安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 27 -表 4-1 最大平坦滤波器低通原型元器件值4.3 软件仿真4.3.1 原理图仿真设计指标：通带 02.5ghz，带内衰减小于 5db， 4ghz 以上衰减大于 20db，端口反射系数小于-20db。基板参数：h:基板厚度(1.58 mm)er:基板相对介电常数(4.2)mur:磁导率(1)cond:金属电导率(5.88e+7)hu:封装高度(1.0e+33 mm)t:金属层厚度(0.035 mm)n1g2g3g4g5g6g7g8g9g12.00001.000021.41421.41421.000031.00002.00001.00001.000040.76541.84781.84780.76541.000050.61801.61802.00001.61800.61801.000060.51761.41421.93181.93181.41420.51761.000070.44501.24701.80192.00001.80191.24700.44501.000080.39021.11111.66291.96151.06151.66291.11110.39021.0000安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 28 -tand:损耗角正切(0.02)roungh:表面粗糙度(0 mm)微带低通滤波器的技术指标：1.通带内的衰减2.带外衰减 3.通带的输入电压驻波比4.通带内群时延5.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 dy/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。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。根据 ads 软件设计出滤波器的原理图（如图 4-3 所示）：图 4-3 微带高低阻抗线低通滤波器的原理图滤波器两边的引出线 tl1 和 tl8 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 linecalc 得到线宽 3.087mm，线长 16.69mm。微带线滤波器的线宽是对称的，第1、3、5 节以及第 2、4、6 节的微带线宽 w 的尺寸是相同的。微带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。对原理图仿真生成 s21、s11 曲线图（如图 4-4 所示）：安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 29 -图 4-4 原理图的仿真曲线可以由图 4-4 看出，仿真结果还没达到要求，需要对以上微带电路进行优化，ads 提供了 tune 和 optim(optimization)两种优化工具。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。经过多次优化后得到微带线尺寸如表 4-2 所示(w 是微带线的宽度，l 是微带线的长度，单位 mm)：安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 30 -表 4-2 优化后微带线的尺寸 优化完成后必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。再次对优化后的原理图进行仿真就可以得到比较满意的滤波器传输和反射曲线(如图 4-5 所示)：节数(mm)iw(mm)il111.912.9320.446.49310.086.5240.498.00512.494.5760.363.48安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 31 - 图 4-5 优化后原理图的仿真曲线观察 s11(s22)和 s21 (s12)曲线是否满足指标要求，如果已经达到指标要求，就可以进行版图的仿真了，如果没有达到指标要求，那么就重新进行优化仿真。4.3.2 版图仿真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微带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。用于生成版图的原理图(如图 4-6 所示)：安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 32 -图 4-6 用于生成版图的原理图版图仿真(如图 4-7 所示)：图 4-7 版图仿真版图生成后先要设置微带电路的基本参数，为了进行 s 参数仿真还要在滤波器两侧添加安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 33 -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(如图 4-8 所示)： 图 4-8 添加端口 p1 和 p2仿真运算要进行几十分钟，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 5db，4ghz 以上衰减大于 20 db。s11 在通带内最好小于-20db。版图仿真曲线(如图 4-9 所示)：安徽建筑工业学院毕业设计（论文）- 34 -图 4-9 版图仿真曲线如果版图仿真得到的曲线不满足指标要求，那么要重新回到原理图窗口进行优化仿真，产生这种情况的原因是相邻微带线节间的线宽相差过大或者其它的参数取值不合适，可以改变优化变量的初值，也可根据曲线与指标的差别情况适当调整优化目标的参数，重新进行优化。 4.3.3 实物制作仿真完成后要根据结果用 cad 软件绘制电路版图，绘制版图时要注意以下几点。(1)所用电路板是普通的双层板，上层用来绘制电路，下层整个作为接地。在绘制版图时受加工工艺的限制，尺寸精度到 0.01 mm 即可，线宽要大于 0.2mm。(2)考虑到加工电路板时的侧向腐蚀问题，微带线的宽度和长度要适当增加。