集总参数带通滤波器

课 程 设 计 报 告题 目 集总参数带通滤波器的设计 所在院（系） 学生姓名 学号 指导教师 完成地点 年 月 日基于 ADS 的集总参数带通滤波器的设计摘要：滤波器在通信系统中应用较为广泛，利用滤波器的选频作用，可以滤除通信中的干扰噪声或测试中进行频谱分析。本文利用 ADS 软件设计一款带通滤波器，并对其进行优化和瞬态仿真分析。经过分析得出，在满足其他各项设计指标要求的前提下，优化后的滤波器选频特性得到明显提高。关键词：带通滤波器；ADS；优化仿真；瞬时仿真任务书利用 ADS 软件设计一个集总参数带通滤波器，集总参数带通滤波器设计指标如下。带通滤波器的中心频率为 150MHz。通带频率范围为 140MHz 到 160MHz。通带内最大衰减为 3dB。在 100MHz 和 200MHz 时衰减大于 30dB。特性阻抗选为 50。目录引言 - 1 -一创建原理图 - 2 -二利用设计向导生成集总参数带通滤波器原理图 .- 2 -三观察原理图的仿真结果 .- 4 -四实现集总参数带通滤波器的原理图 - 7 -1创建新设计 - 7 -2设计原理图 - 7 -3原理图仿真与优化 .- 11 -参考文献 - 17 - 1 -引言在现代通信系统中，滤波器的应用领域很广泛，如电视频道信号的选取，多音响装置的频谱分析器等，滤波器作为无线通信应用领域的一个重要器件，其性能指标往往直接影响到整个通信系统的优劣，伴随着移动通信、雷达、卫星通信等各通信系统的增多，电磁环境逐渐异常复杂化，从而使得通信系统中频带资源愈发短缺，导致频率间隔变得越发密集。怎样无失真的从逐渐短缺的频带资源内获取所需的信号并抑制其他无用或有害的信号，为滤波器的设计提出了苛刻的要求。虽然各滤波器在电子器件和技术的飞速发展的推动下层出不穷，但怎样制造小体积低成本易加工量产并满足指标要求的滤波器渐渐成为工程应用中的核心问题，集总参数滤波器以其自身优势作为首选应用在通信系统和设备中。集总参数是指当实际电路的尺寸远小于电路工作时电磁波的波长时，可以把元件的作用集总在一起，用一个或有限个理想 R、L、C 元件来加以描述的电路参数。集总参数带通滤波器是指由集总参数元件构建的滤波器，其特性由构建此带通滤波器的集总参数元件值来确定。本文阐述了利用 ADS 软件设计带通滤波器的方法、流程以及仿真过程，结合带通滤波器的一般原理和最小二乘误差法，- 2 -以期寻找一种更为通用的、频带高度利用和相邻信道低干扰的带通滤波器的设计方案，同时给出其仿真结果。一创建原理图下面将在 LC_Filter 项目中创建带通滤波器原理图，创建原理图的方法很多，这里创建原理图的步骤如下。（1）选择主视窗中【File】菜单【Open Project】 ，弹出【Open Project】对话框， 【Open Project】 。（2）在【Open Project】对话框中选择 LC_Filter_prj，然后单击对话框中的【OK】按钮，进入 LC_Filter 项目。（3）在主视窗的工具栏中选择 按钮，弹出一个未命名的原理图 untitled1，在未命名的原理图 untitled1 上，选择菜单【File 】【 Save Design】 ，弹出【Save Design As】对话框。（4）在【Save Design As】对话框中输入文件名 Filter_Bandpass1，单击“保存“，将原理图命名为 Filter_Bandpass1。二利用设计向导生成集总参数带通滤波器原理图（1）在原理图 Filter_Bandpass1 中，选择【DesignGuide】菜单【Filter】 ，弹出【Filter】对话框，在对话框中选择【Filter Control Window】项。（2） 单击【 Filter】对话框中的【OK 】按钮，关闭 【Filter 】对话框，同时将弹出滤波器设计向导【Filter DesignGuide】的初始窗口。（3）在【Filter DesignGuide】窗口中，单击工具栏中的按钮【Component Palette-All】 ，在 Filter_Bandpass1 原理图中出现【Filter DG-All】列表下的元器件面板， 【Filter DG-All】元器件面板上列出了各种类型滤波器的设计向导，包括集总元器件低通、高通、带通和带阻滤波器设计向导。（4）在【Filter DG-All】元器件面板上，选择双端口带通滤波器，插入到原理图- 3 -的画图区，然后单击 按钮，结束当前命令。原理图中的双端口带通滤波器如图1 所示。图 1 双端口带通滤波器原理图（5）重新回到【Filter DesignGuide】窗口，单击窗口中的 【Filter Assistant】按钮，在【Filter DesignGuide】窗口中出现滤波器设计向导，如图 2 所示，图 2 中【SmartComponent】项为 DA_LCBandpassDT1,说明 Filter_Bandpass1 原理图中现在出现了快捷元器件 DA_LCBandpassDT1，设计向导就是用来设计原理图中的快捷元器件 DA_LCBandpassDT1，同时可以看出，图 2 中出现了带通滤波器的曲线。- 4 -图 2 滤波器设计向导中的设置选项图 2 是初始状态，在图 2 中选择如下参量。选择 First Element 为 Series，也即选择滤波器的第一个元器件为串联方式。Response Type 选为 Maximally Flat，也即滤波器响应的方式选为最大平滑（也称为巴特沃斯滤波器） 。Fs1 选为 100MHz。阻带频率 Fs1 选为 100MHz。Fp1 选为 140MHz。通带频率 Fp 1 选为 140MHz。Fp2 选为 160MHz。通带频率 Fp 2 选为 160MHz。Fs2 选为 200MHz。阻带频率 Fs2 选为 200MHz。Ap（ dB）选为 3。在通带频率内，最大衰减为 3 dB。As（ dB）选为 30。在阻带频率上，衰减为 30dB。其余选项保持默认状态。- 5 -单击【Filter DesignGuide】窗口中的【Design】按钮，软件中的设计向导完成设计。（6）现在观察【Filter DesignGuide】窗口，可以看到现在窗口中的曲线已经改变为图 3，图 3 是符合指标的滤波器曲线。图 3 滤波器设计向导中符合指标的设定由图 3 可以看出，在通带内滤波器的响应是平滑的，在阻带内滤波器的衰减随着频率的升高单调上升，这是巴特沃斯带通滤波器。关闭【Filter DesignGuide】 窗口。（7）现在原理图中的 DA_LCBandpassDT1 元器件已经有了子电路，下面观察子电路，观察子电路的步骤如下。在原理图中选中 DA_LCBandpassDT1 元器件。然后单击原理图工具栏中的 按钮，进入 DA_LCBandpassDT1 元器件的子电路，DA_LCB andpassDT1 元器件的子电路如图 1 所示。由图 4 可以看出，满足技术指标的滤波器阶数为 3。- 6 -图 4 带通滤波器子电路（8）在原理图的工具栏中，单击 按钮，由 DA_LCBandpassDT1 元器件子电路退出，回到图 1 所示的原理图中。三观察原理图的仿真结果下面在带通滤波器原理图 Filter_Bandpass1 中设置仿真控件，来观察DA_LCBandpassDT1 元器件的 S 参数，DA_LCBandpassDT1 元器件的子电路为集总参数带通滤波器。（1）打开 Filter_LowBandpass1 原理图。（2）在原理图 Filter_Bandpass1 上选择 S 参数仿真元器件面板，在元器件面板上选择负载终端 Term，将负载终端 Term 两次插入到原理图中，定义负载终端Term1 为输入端口，负载终端 Term2 为输出端口。（3）在原理图工具栏中单击 按钮，将地线（GROUND）两次插入原理图，让两个负载终端 Term 接地。（4）单击工具栏中的 按钮，将原理图中的负载终端 Term 和带通滤波器连接起来，连接方式如图 5 所示。- 7 -图 5 带有负载终端的带通滤波器原理图（5）在 S 参数仿真元器件面板上，选择 S 参数仿真控件 SP，插入到原理图画图区，对 S 参数仿真控件设置如下。频率扫描类型选为线性 Linear。频率扫描的起始值设为 50MHz。频率扫描的终止值设为 250MHz。频率扫描的步长设为 10MHz。其余的参数保持默认状态。单击 S 参数仿真控件设置窗口中的 OK，完成对 S 参数仿真控件的设置，现在用于仿真的集总参数带通滤波器原理图如图 6 所示。- 8 -图 6 用于仿真的集总参数带通滤波器原理图（6）现在可以对图 6 所示的原理图仿真了。在原理图工具栏中单击 按钮，运行仿真，仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。数据显示视窗的初始状态没有任何数据显示，用户自己选择需要显示的数据和数据显示的方式，这里选择的步骤如下。在数据显示视窗中，单击数据显示方式面板中的矩形图标，插入到数据显示区。选择矩形图的横轴为频率，纵轴为用分贝（dB）表示的 S21。在 S21 曲线上插入四个 Marker，S21 曲线如图 7 所示。单击工具栏中的 按钮，保存数据。（7）由图 7 可以看出，S21 曲线在 100MHz、140MHz、160MHz 和 200MHz 处- 9 -的值如下。在 100MHz 处，S21 的值为-47.523dB 。在 140MHz 处，S21 的值为-3.000dB。在 200MHz 处，S21 的值为-3.000dB。在 200MHz 处，S21 的值为-38.587dB 。S21 曲线符合最大平滑响应，在四个 Marker 处图中的参数满足指标要求。图 7 带通滤波器数据显示四实现集总参数带通滤波器的原理图实际的集总参数带通滤波器，集总参数元器件之间需要有传输线连接，由于分布参数的影响，传输线会对滤波器的技术指标有影响，因此需要考虑加入传输线后滤波器的设计情况。集总参数带通滤波器设计指标如下。带通滤波器的中心频率为 150MHz。通带频率范围为 140MHz 到 160MHz。通带内最大衰减为 3dB。- 10 -在 100MHz 时衰减大于 30dB。在 200MHz 时衰减大于 30dB。特性阻抗选为 50。微带线基板的厚度选为 1mm，基板的相对介电常数选为 4.2。连接集总参数元器件的微带线，长选为 4mm，宽选为 1.5mm。连接集总参数元器件的弧形微带线，半径选为 2.5mm，宽选为 1.5mm。1创建新设计创建一个新设计 Filter_Bandpass2，这个设计依旧保存在 LC_Filter 项目之中。创建新设计的步骤如下。（1）选择主视窗中【View】菜单【Startup Directory】 ，然后在主视窗中的文件浏览区选择 LC_Filter_prj，双击进入 LC_Filter 项目。（2）在主视窗中选择【File】菜单【New Design】 ，弹出【New Design】对话框，在【New Design】对话框中，输入新建的设计名称 Filter_Bandpass2，并选择对话框中【Create New Design in】项中的 New Schematic Window（新建原理图视窗） ，以及选择【Schematic Design Templates】 （原理图设计模板）项中的none，然后单击 【OK】按钮，新建的原理图 Filter_Bandpass2 自动打开。2设计原理图在 Filter_Bandpass2 原理图上，根据图 4 搭建带通滤波器原理图电路。由于带通滤波器在微带线上搭建，电感和电容元器件之间需要有一定的间距，因此电感和电容之间需要由微带线连接。（1）设置微带线参数在原理图的元器件面板列表上，选择微带线【TLines-Microstrip】 ，元器件面板上出现与微带线对应的元器件图标。在微带线元器件面板上，选择 MSUB 插入到原理图的画图区，在画图区中双击 MSub，弹出【Microstrip Substrate】设置对话框，在【Microstrip Substrate】设置对话框中对微带线参数设置如下。H=1mm，表示微带线基板的厚度为 1mm。Er=4.2，表示微带线基板的相对介电常数为 4.2。- 11 -Mur=1，表示微带线的相对磁导率为 1。Cond=4.1E+7，表示微带线导体的电导率为 4.1E+7。Hu=1.0e+033mm，表示微带线的封装高度为 1.0e+033mm。T=0.05mm，表示微带线的导体层厚度为 0.05mm。TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为 0.0003。Rough=0mm，表示微带线表面粗糙度为 0 mm。完成设置的微带线 MSUB 控件如图 8 所示。（2）搭建原理图的中心连接在微带线元器件面板上，选择 MTEE 插入到原理图的画图区，MTEE 是微带线的T 形结。双击画图区的 MTEE，在弹出的设置窗口中设置W1=1.5mm、W2=1.5mm 和 W3=1.5mm。在微带线元器件面板上，选择 MLIN 插入到原理图的画图区，MLIN 是一段长度的微带线。双击画图区的 MLIN，将微带线的宽度 W 和长度 L 设置为 W=1.5mm和 L=4mm。单击工具栏中的 按钮，将前面的 MTEE 和 MLIN 连接起来，连接方式如图 9 所示。图 8 微带线参数设置- 12 -图 9 1 个 MTEE 和 1 个 MLIN 连接（3）搭建原理图中电感和电容的串联电路在微带线元器件面板上，选择微带线 MLIN 插入到原理图的画图区，插入 3 次MLIN 微带线。 双击画图区的 MLIN， 将 3 个 MLIN 微带线的宽度 W 和长度 L都设置为 W=1.5mm 和 L=4mm。在原理图的元器件面板列表上，选择集总参数元器件【Lumped-Components】 ，元器件面板上出现与集总参数元器件对应的元器件图标。在集总参数元器件面板上，分别选择电感 L 和电容 C 插入到原理图的画图区。分别双击画图区的电感 L 和电容 C，打开电感 L 和电容 C 的设置对话框，将电感 L 和电容 C 的数值分别设置为 L=397.573nH 和 C=2.844pF。单击工具栏中的 按钮，将前面的电感、电容和 3 个 MLIN 连接起来，连接方式如图 10 所示。图 10 原理图中电感和电容的串联电路（4）搭建原理图中电感和电容的并联电路- 13 -在微带线元器件面板上，选择 Mcurve 插入到原理图的画图区，共插入 4个 Mcurve。双击画图区的 Mcurve，将它们的数值都设置为W=1.5mm、Angle=90、Radius=2.5mm。在微带线元器件面板上，选择 MTEE 插入到原理图的画图区，共插入 2 个MTEE。双击画图区的 MTEE，在弹出的设置窗口中设置W1=1.5mm、W2=1.5mm 和 W3=1.5mm。在工具栏中单击 按钮，将地线（GROUND）插入到原理图，让一个 MTEE 接地。在集总参数元器件面板上，分别选择电感 L 和电容 C 插入到原理图的画图区。分别双击画图区的电感 L 和电容 C，打开电感 L 和电容 C 的设置对话框，将电感 L 和电容 C 的数值分别设置为 L=3.555nH 和 C=318.058pF。单击工具栏中的 按钮，将前面的电感、电容、T 型结与微带线连接起来，连接方式如图 11 所示。图 11 原理图中电感和电容的并联电路（5）搭建带通滤波器的原理图复制一次图 10，将图 10 的电路连接在图 9 电路的两边。- 14 -将图 11 的电路连接在图 9 电路的下边。这时原理图如图 12 所示，这是带通滤波器的原理图。图 12 带通滤波器原理图（6）带有终端负载的带通滤波器原理图选择 S 参数仿真元器件面板，在元器件面板上选择负载终端 Term，两次插入到原理图中，定义负载终端 Term1 为输入端口，负载终端 Term2 为输出端口。在原理图工具栏中单击 按钮，将地线（GROUND）两次插入原理图，让负载终端 Term 接地。单击工具栏中的 按钮，将原理图中的两个负载终端 Term 和带通滤波器连接起来，连接方式如图 13 所示。- 15 -图 13 带有终端负载的带通滤波器原理图3原理图仿真与优化在仿真之前，首先设置 S 参数仿真控件 SP，SP 对原理图中的仿真参量给出取值范围，当 S 参数仿真控件 SP 确定后，就可以仿真了。（1）在 S 参数仿真元器件面板上，选择 S 参数仿真控件 SP，插入到原理图画图区，对 S 参数仿真控件 SP 设置如下。频率扫描类型选为线性 Linear。频率扫描的起始值设为 0MHz。频率扫描的终止值设为 250MHz。频率扫描的步长设为 10MHz。其余的参数保持默认状态。单击 S 参数仿真控件设置窗口中的【OK】按钮，完成对 S 参数仿真控件的设置，现在 S 参数仿真控件如图 14 所示。（2）现在可以对带通滤波器的原理图仿真了。在原理图工具栏中单击按钮，运行仿真，仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。（3）数据显示视窗的初始状态没有任何数据显示，用户自己选择需要显示的数- 16 -据和数据显示的方式，这里选择的步骤如下。在数据显示视窗中，单击数据显示方式面板中的矩形图标，插入到数据显示区。选择矩形图的横轴为频率，纵轴为用分贝（dB）表示的 S21。S21 曲线如图 15 所示。比较图 15 与图 7 可以看出，在原理图中添加微带线后，S21 曲线发生很大变化。单击工具栏中的保存按钮，保存数据。图 14 带通滤波器的 S 参数仿真控件图 15 带通滤波器数据显示（4）图 15 与图 7 的曲线有差异，需要调整原理图。下面采用优化来改变电感和电容的取值，以期达到合格的曲线。在优化与仿真之前，首先需要设置原理- 17 -图中电容和电感的优化取值范围，然后再添加优化控件和目标控件，当设置完优化控件和目标控件后，就可以仿真了。（5）设置原理图中电感 L1 的优化取值范围。双击原理图中的电感 L1，弹出【Inductor】窗口，在窗口中单击【Tune/Opt/Stat/DOE Setup】按钮，打开【Setup】设置窗口，在【Setup 】窗口中设置如下。选择【优化 Optimization】按钮。在 Optimization Status 栏选择 Enabled。在 Type 栏选择 Continuous。在 Format 栏选择 min/max。在 Minimum Value 栏填入 100nH。在 Maximum Value 栏填入 800nH 。单击两次 OK 完成【Setup】和【Inductor】窗口的设置。完成设置的【Inductor】和【Setup】窗口如图 16 所示。(a)电感设置初始窗口 (b)设置电感优化取值范围图 16 设置原理图中电感 L1 的优化取值范围（6）设置原理图中电容 C1 的优化取值范围。双击原理图中的电容 C1，弹出【Capacitor】窗口，在窗口中单击 【Tune/Opt/Stat/DOE Setup】按钮，打开- 18 -【Setup】设置窗口，在【Setup 】窗口中设置如下。选择【优化 Optimization】按钮。在 Optimization Status 栏选择 Enabled。在 Type 栏选择 Continuous。在 Format 栏选择 min/max。在 Minimum Value 栏填入 0.5pF。在 Maximum Value 栏填入 8pF 。单击两次【OK】按钮完成【Setup】和【Capacitor】窗口的设置。完成设置的【Capacitor】和【Setup】窗口如图 17 所示。（7）用同样的方法设置原理图中电感 L2、电感 L3、电容 C2 和电容 C3 的优化取值范围，优化取值范围选为。电感 L2 在 Minimum Value 栏填入 2nH，在 Maximum Value 栏填入 6nH。电容 C2 在 Minimum Value 栏填入 80pF ，在 Maximum Value 栏填入 800pF。电感 L3 在 Minimum Value 栏填入 100nH，在 Maximum Value 栏填入 800nH。电容 C3 在 Minimum Value 栏填入 0.5pF ，在 Maximum Value 栏填入 8pF。(a)电容设置初始窗口 (b)设置电容优化取值范围图 17 设置原理图中电容 C1 的优化取值范围- 19 -（8）在原理图的元器件面板列表上，选择优化元器件【Optim/Stat /DOE】项，元器件面板上出现与【Optim/Stat /DOE】对应的元器件图标。在元器件面板 上，选择优化控件 Optim 插入到原理图的画图区，并选择目标控件 Goal 插入到原理图的画图区，共插入 3 个目标控件 Goal。（9）双击画图区的优化控件 Optim，打开【Nominal Optimization】窗口，在【Nominal Optimization】窗口中设置优化控件，设置优化控件的步骤如下。选择随机 Random 优化方式。优化次数选择 50 次。其余的选项保持默认状态。设置完成的【Nominal Optimization】窗口如图 18 所示。图 18 设置优化控件- 20 -（10）下面设置目标控件 Goal1。双击目标控件 1，设置如下。选择 Expr 为 dB(S(2,1)。选择目标控件的期望值为用 dB 表示的 S21。选择 Min 为-3。期望值 S21 的最小值为-3dB。选择 RangeVar1为 freq。变量选为频率。选择 RangeMin1为 140MHz。频率的最小值选为 140MHz。选择 RangeMax1为 160MHz。频率的最小大选为 160MHz。其余的选项保持默认状态。（11）用同样的方法设置目标控件 2 和目标控件 3。目标控件 2 的设置如下。选择 Expr 为 dB(S(2,1)。选择目标控件的期望值为用 dB 表示的 S21。选择 Max 为-30。期望值 S21 的最大值为-30dB 。选择 RangeVar1为 freq。变量选为频率。选择 RangeMin1为 98MHz。频率的最小值选为 98MHz。选择 Range