射频电路课程设计结题报告-微带带通滤波器.docx

技术文件完成时间：2012年12月17日射频电路课程设计结题报告项目名称：微带带通滤波器设计小组编号：设计小组名单：摘 要：微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。Abstract：The microwave filter is a device used to separate the different frequency microwave signal. Its main role is to suppress unwanted signals, it can not pass through the filter so that only the desired signal to pass through. In a microwave circuit system, the performance indicators of the performance of the filter on the circuit has a great impact, therefore, how to design a high-performance filter, the design of microwave circuit system has a very important significance. Microstrip circuit has a small size, light weight, frequency bandwidth, and many other advantages, in recent years, microwave circuit system is widely used, which do with microstrip filter is one of its main applications, so this section will focus on how to design and optimize the micro band filters.目录1概述21.1实验基本内容21.2名词定义21.3滤波器简述22设计指标23微带带通滤波器的设计23.1原理图绘制23.1.1平行耦合线带通滤波器简介23.1.2设计指标操作23.2生成原理图23.2.1设置参数23.3仿真优化23.3.1优化参数23.3.2仿真图23.4版图仿真23.4.1生成版图23.4.2版图仿真23.4.3仿真曲线24实验感想21 概述1.1 实验基本内容使用ADS软件设计微带带通滤波器，根据参数对其进行优化仿真。将设计结果绘制电路版图，使用protel99se进行PCB绘制，并上交老师送厂制作。返回板子后对电路进行相关调试，测试其与仿真结果的差异并记录。（由于老师反馈板子有问题所以未能进行此项）1.2 名词定义微带：适合制作微波集成电路的平面结构传输线。与金属波导相比，其体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等。带通滤波器：通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。ADS：适用于射频、微波和信号完整性应用的设计自动化软件。PCB: 印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。1.3 滤波器简述微波滤波器的分类方法很多，根据通频带的不同，微波滤波器可分为低通、带通、带阻、高通滤波器；按滤波器的插入衰减地频响特性可分为最平坦型和等波纹型；根据工作频带的宽窄可分为窄带和宽带滤波器；按滤波器的传输线分类可分为微带滤波器、交指型滤波器、同轴滤波器、波导滤波器、梳状线腔滤波器、螺旋腔滤波器、小型集总参数滤波器、陶瓷介质滤波器、SIR(阶跃阻抗谐振器)滤波器、高温超导材料等。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。2 设计指标中心频率：f0=2.0GHz通带宽度：相对带宽f2-f1=250MHz通带衰减：小于等于1dB阻带衰减：1.75GHz频率上大于20dB衰减端接条件：ZA=ZB=50前两项描述的是衰减特性， 是其主要的技术指标，决定了滤波器的性能。另外还有群时延、电压驻波比等描述，暂时没有给出，随着实验进行会出现。3 微带带通滤波器的设计3.1 原理图绘制3.1.1 平行耦合线带通滤波器简介下图为我们实验滤波器及其等效电路，它由平行的耦合线相连组成。其左右对称，每个耦合线节长约为四分之一波长（对于中心频率）。3.1.2 设计指标操作由前文可见中心频率为2GHz，设计带内衰减为1dB（实际为稍大于1dB）。1.75GHz以下及2.25GHz以上衰减大于20dB(实际在40dB左右)。据此做出下面设计。3.2 生成原理图3.2.1 设置参数控件MSUB参数设置：介质介电常数：基板厚度：基板铜箔厚度：磁导率：1损耗角正切：1e-4根据厂商，得知基板外形尺寸：将Er，Mur，T等值键入LineCalc，并将Z0设为50 E_Eff设为90deg。可以计算出w和l其中l为四分之一波长。如图：3.2.2 原理图器件添加双边引出线TL1，TL2。并将其长宽设为1.54mm和3.82mm。然后添加平行耦合节，因为其结构的对称性，所以左右1，5和2，4参数是相同的（L，W，S），具体不再陈述。双击每个耦合线节设置参数，W、S、L分别为相应的变量，之中W1和W2参数代表该器件左右相邻两侧的微带器件线宽。在添加变量VAR时，先给它赋初值，依次添加W，L，S参数。然后之后的优化过程它会不断变化，到时可见他麻烦。微带线和缝隙的宽最好去0.5mm以上。将Term放置在滤波器两端，用以定义端口1,2，并接地。最后S参数扫描，设置扫描频率和步长，根据我们的2GHz中心频率，以及250MHz带宽合理设置如下：3.3 仿真优化3.3.1 优化参数设置optim后需设置goal。此时联系上文的设计指标，我们做出下面目标。第一个Goal是我们在1.87Ghz到2.13GHz的通带内衰减，我们设置为1dB。第二个和第三个都是两个阻带频率及衰减，我们尝试多次后发现将其设置高dB后，优化有较好的结果，此时我们在1.75到1.85和2.14到2.25设置了阻带40dB，在之后我们得到的结果有了不错的反响。由于新老的版本问题，我们起初在goal栏里面搜索了很久也没能找到设置max，min的地方。最后通过搜索论坛发现了其在goal information里面有选项。而在display里面是不可选择的。大家一定要记住。这个耗费了我们不少时间。之后就是参数优化了，根据CurrentEF的值做出偏差，数值越小表明越接近理论。这一步需要多次的优化才能达到效果，比较花费时间。每次优化后可以发现Var都发生改变，直到最终确定下来。优化截图：（新版的ads和老版很多地方不同）经过多次的优化后，得到的Var如图：3.3.2 仿真图起初时我们仿真的图如下：可见开始时，不管是频带宽度还是通带起伏都与结果有不小的差距。所以我们只能一遍一遍的优化，大概几十次后有了不错的结果。之后仿真曲线如下：在S（1,2）中抓取几个点，可见在通带中最大衰减为m1=1.333dB。在阻带上两边的1.75和2.25各自抓取衰减为30.542dB和23.165dB。虽然我们预定的目标是通带内起伏1dB，但经过多次的优化后我们仍然没有达到这个数值，最佳为上述的结果，但效果差别不大。3.4 版图仿真版图仿真采用矩量法，直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真的要准确，但是它的计算比较复杂，需要较长时间，在此作为对原理图设计的验证。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，如果相差过大则会造成原理图和版图仿真较大的差别，此时则需要改变变量重新进行优化3.4.1 生成版图3.4.2 版图仿真在版图生成后先要设置微带电路的基本参数，而在此处需要大家注意Momentum功能在新老版本又有不同。在新版本里面substrate为如下图:将里面的参数修改为前面原理图中MSUB的参数值，需要点击右侧的按钮进入菜单如下：3.4.3 仿真曲线将各部分参数修改之后便版图仿真，开始的仿真图比较恶心，得到的和原理图相去甚远。经过检查我们发现了原来前文修改参数没有完成，所以上步比较重要，大家一定注意。经过长时间修改，并且返回原理图优化多次后，得到了仿真曲线：可见相较原理图来看性能还是有比较大的恶化的。从通带起伏可见，此时衰减达到了3dB。我们经过了多次的优化还是不能更进一步的改善了。通过查电子版的教材，我们了解到，产生这种情况的原因是相邻耦合线节间的线宽相差过大造成的，还有就是所取的参数不合适，此时可以改变优化变量的初值，也可以根据曲线与指标的差别情况适当调整下优化目标参数。相频关系与寄生通带图如下：通过相频曲线，我们可以观察到群延时特性，我们从图中可以看到，在通带内基本上是线性的，但有所起伏。基本满足我们预定的目标。4 实验感想本次实验，本来我们打算制板，第一次已经受理，但是送交文件几天后老师在第二次通知时将我们文件退回，原因是我们不符合要求。可以说是打了我们一个措手不及，因为我们小组两个考研生，两个出国生，都在忙考试，所以也没能继续进行下面的制板工作。还好在我们大家齐心协力下，完成了原理图仿真以及PCB仿真的过程。在此还是要感谢全组成员。还要感谢龙老师给我们悉心讲授射频课程，让我们对于实验有了更深的认识。之前大三已经指导过我们两学期了，并不陌生。下面说说我们这次实验，仿真我们主要使用的是软件ADS，而我们之前使用过几次，还是比较熟悉的。但我们这次选择了新版本的软件2011版本，和之前的有比较大的不同，在使用方面还是有些麻烦的。在绘制原理图时，没有什么。但到了优化时，就不是很一样了。在设置优化目标控件goal时，我们在寻找max，min，Rangemax，Rangemin时，找了很久，发现在新版中它是不可选择的。这样我们在论坛上搜了很久，有的前辈说新版本使用limitmax,limitmin,Indepmax,Indepmin取代了，我们又去试了下。发现还是有错误，而后论坛里面看到说数字和单位要加空格。我们干脆使用了科学计数法，这样最后终于有了结果。另外在设置阻带衰减时，建议最好先设置大一点，这样在优化时，由于多次优化不可能达到预期的目标，衰减会比设置的小。而这样可以平衡下，满足要求。这是我们多次测试得到的经验。在参数优化时，需要很久很久，多次的不断改善完成，这时在每次优化后，一定要保存得到的变量值，就是VAR上面的值，否则保存不了很耽误时间。在得到仿真曲线时，我们重做了好几次，开始曲线相当走样。有的是因为优化不得当，有的是开始的参数设置有问题。一定要耐心一遍一遍解决问题。在版图仿真时，我又要抱怨下新版本的软件了，它的Momentum功能现在叫EM。而且再