带通滤波器的Ansoft优化设计.doc

带通滤波器的Ansoft优化设计 -微波固态电路及其CAD课程学习 一. 滤波器的设计理论滤波器分为低通/带通/高通/带阻四种, 现代滤波器理论在三四十年代趋完善，但设计时数字计算繁琐。四十年代中期后，电子计算机帮助人们完成了大量的常用滤波器特性的计算，并把结果制成通用的设计图表，从而简化了设计过程，使综合法得到普及.在滤波器综合设计法中，通常先综合设计低通原型滤波器，然后再由低通原型滤波器借助频率变换原理，通过网络转换得到所需的高通，带通，带阻滤波器。这些在相关书籍中有详细分析.二. 滤波器电路优化设计1.目标 学习Ansoft Serenade软件优化设计电路的一般过程和操作，优化设计带通滤波器，要求为：通带：4652MHz带外抑制:频带两端(f015%,f0为中心频率)处带外抑制到-45dB, 频带两端(f030%,f0为中心频率)处及带外抑制到-50dB,通带平坦：小于0.5dB插损：小于5dB输入输出电阻：502.优化过程2.1 方法一 利用Ansoft软件工具内的滤波器设计工具设计，只要按软件要求逐步输入滤波器种类和指标等进行设计优化。2.2 方法二 使用软件的一般的优化方法，即通过建立原理图，仿真和优化。由于这种方法对于Ansoft serenede的学习比较全面，所以这也是本次设计采用的方法。并且在设计中根据预先的粗略设计计算，选择合适的滤波器形式和阶数，直接输入完整的5阶滤波器原理图。并且注意到元件初值对于优化过程和结果的重要影响，对于初值也预先作了一些计算。整个设计优化过程如下：(一) 建立电路原理图1. 新建Project启动Serenade Desktop，在Project目录中建立新的工程，取名为filter，选取仿真类型为Harmonic电路仿真。2. 编辑原理图文件1.原理图编辑过程介绍在界面上，最上方为工具栏，下面是丰富的工具栏，左边是工程目录，右下边是原理图编辑工作区。所有的命令和元器件调用等操作都可在菜单选择，工具栏提供的是常用元件的访问和命令的快捷方式。元件的分类选择在Parts菜单中。利用工具栏选择时，鼠标在上面停留可以获得帮助信息。双击工具栏可以将原件直接调入原理图，需要旋转按键盘的“R”键。元件放置后自动弹出参数表，其中“req”必须输入元件初值，其余可以用缺省值。相关参数含义也可以在“info”按钮中得到帮助信息。需要注意的是元件值的单位，参数中元件值与单位间不能有空格，大小写不区分，如图为电容的参数设置：连线：鼠标左键拖动元件直接连接端头，或者在编辑区单机右键选择连线命令。选中：单击元件则单选，按Shift键可多选。复制：按住Ctrl键拖动元件复制。删除：选中元件后按Del。改变参数设置：双击元件。（二）电路仿真电路的仿真需要三个基本的部分，即电路原理图，频率控制模块和电路端口。另外还有基板定义等选项一般也需要设置。在原理图编辑完成后，设置电路的输入输出端口，所在菜单为：PartsShematic connectorsMacrowave ports生成端口，设置参数，输入输出均为50欧姆。频率模块的设置决定电路的仿真频率范围和频率间隔以及点数等：PartsControl blocksLinear frequency调出频率模块，根据实际电路设置为10MHz 150MHz 50KHz，如图： 建立的完整的电路原理图如下图所示： 电路仿真菜单选择Analysis Analysis，也可以用快捷键F10。仿真后观察结果选择ReportReport editor，调出仿真报告，如图： 从其中选择显示的格式和内容，例如本次设计在输入元件初值仿真后得到结果如下图所示： 在图形显示区单击右键可以调出菜单改变线形，颜色，背景，刻度等，还可以选择放大或缩小部分区域，细致观察曲线的刻度值是否达标。 可以发现，滤波器在带内波动和带外抑制等方面都不能满足指标要求，需要进一步优化。（三）优化设计 1.设置优化目标：从菜单Partscontrol blockslinear optimization info调出优化目标对话框，如图： 根据指标要求设置为： frangel 41.6MHz 56.35MHz goals1 ms21 0.01db GT W=10 frange2 34.3MHz 63.7MHz goals1 ms21 -60db LT其中：LT表是小于，GT表示大于，W10用来对优化目标进行加权，即优先保证通带内性能。 2.设置优化变量 在需要优化的变量值两边加“？”，例如“？10pf ？”，还可以指定变化范围，例如“？1pf 10pf 100pf ？”。 3.进行优化 选择菜单Analysisoptimization调出优化设置框，设置优化方式，迭代运算次数等，单击optimization按钮进行优化。优化设置报告框如下图： 从优化框输出的结果信息中可以看到元件优化值，优化偏差值F等。其中偏差F值越大表示优化结果离设定的优化目标越远，F0时完全达到优化目标。 经过反复的优化计算，发现带外抑制和带内衰减都比较容易达到要求，但是带内波动比较大，约有1db。可以适当修改优化目标，减小带内衰减要求，扩展通带大小或减低带外抑制要求，以达到带内波动要求。 例如将目标改成如下设置：frangel 41.6MHz 56.35MHz goals1 ms21 0.1db GT W=20frange2 34.3MHz 63.7MHz goals1 ms21 -55db LT进一步的优化显示，带内波动和高频段的带外抑制性能互相矛盾，必须寻找折中的点，兼顾两者的要求。优化后滤波器的性质如下面的一些图所示： 对于带内波动，基本控制在0.4db以内： 通带部分的性质如下图所示.由于认为电容电感理想无耗，所以带内衰减极小，这一点与实际电路制作后的结果可能有较大的偏差。 整个滤波器的性质如图： 这次滤波器优化设计后，有以下一些总结：1.选择合适的电路形式，设定较好的元件初值以及选择合适的优化方法对于优化非常重要。电路形式和初值设定的好可以很快的接近要达到的优化目标，设定的不好则需要经过反复的计算，甚至根本难