微带滤波器的设计（ADS）.doc

微带滤波器的设计（ADS）混合002班 李力 3003001032一、 原理这次设计的滤波器主要是针对前面设计的天线而来的，即要实现最后的级联。所以有必要阐述一下上次设计的天线的具体规格：上次设计的天线是在2.5GHz附近工作,而我在这里设计的滤波器目的是针对移动通信设计，所要求带宽较窄，令带宽在50MHz左右，符合天线能提供的范围。滤波器使用的基板参数还是r= 9.8, h=1.27mm，此时基板上的50ohm阻抗传输线的宽大概为1.22mm。滤波器主要设计要求如下：中心频率G0=2.5GHz带宽=50MHz70MHz（计算按50MHz）在2.55GHz上衰减达到25dB这里设计的滤波器为边缘耦合平行耦合线带通滤波器设计图如下：二、 计算主要参数1、由低通到带通频率的变换这里W为相对带宽， =0.02得到2，如果采用切比雪夫原型，查表得到此滤波器为n=4级。纹波系数为0.01dB的切比雪夫原型的元件数值分别为：g0=1;g1=0.7168;g2=1.2003;g3=1.3212;g4=0.6476;g5=1.1007;1并且为了简单起见，采用对称耦合的末段。2、 =1.5551=； =31.828；计算各个G参数如下：=1.1811；=1.1844；=1.0781；=0.7941；=1.0811；当滤波器采用对称耦合结构=0.0301;=0.2049;=0.9580;=0.0325;=0.0239;3、于是阻抗矩阵元素和偶、奇模阻抗为：； 各耦合段的偶、奇模阻抗耦合段编号12345偶模阻抗Z0e归一值1.20490.99050.98190.99051.2049实际值60.245欧49.525欧49.095欧49.525欧60.245欧偶模阻抗Z0o归一值0.79510.92550.93410.92550.7951实际值39.755欧46.275欧46.705欧46.275欧39.755欧这里使用ADS自带的耦合微带传输线计算器来计算各个尺寸。主要是因为利用PUFF软件对各个长耦合微带线的尺寸时，如果是象本人设计的窄带滤波器寄模阻抗和偶模阻抗相差比较小，若设计精确需要加入小数部分，但是PUFF中不能写如小数部分，以至于设计不精确，如图所示：对于ADS微带线计算器LineCalc，参数设置如下（对于第一组数据）各个参数计算如下：耦合区号12345W(mm)1.1662901.3000801.2991301.3000801.166290S(mm)0.8261883.9797204.9854703.9797200.826188L(mm)11.7873001.59140011.58560011.59140011.787300三、 布局用ADS进行仿真，在schematic中用模拟微带线进行布局，示意如下：其中的电路板参数设置为：解释如下：H为电路板厚度，Er为介电常数，设置为9.8。Mur为渗透性系数，设置为1。Cond是介质板上面金属层电导率，如果是铜的话，电导率取5.78e6，T为金属层厚度。四、 仿真设置了S参数后就可以仿真了，仿真结果如下：从图中数据分析。中心频率点在2.409GHz,带宽在2.381GHz2.440GHz间，为59MHz.。显然，设计不符合要求，主要是中心频率点偏离原定点太大（原定频率中心为2.5GHz，带宽在2.475GHz到2.525GHz间，为50MHz），除了带宽大小比较符合外，是个比较失败的设计。于是要进行优化。优化如下：五、 优化用Tune工具进行优化，需要一定的时间和耐心，最后做出来的电路如下：各个耦合微带线的具体尺寸变化为：耦合区号12345W(mm)0.868241.145131.127441.145130.86824S(mm)0.917411.520251.701441.520250.91740L(mm)10.3220511.6609511.7233811.8194411.81944改变后输出图象为：此时根据图象分析，还不是很理想。主要是和前级太不匹配，S11参数普遍太大，希望能够和前级匹配，需要加入匹配电路。并且电路的通带衰减还是不够理想。加入匹配电路后如图所示：其中前面加入了三段串联传输线来进行匹配，其中最右边的那段是将原来的传输线改变长度得到的，三条线的具体尺寸为：W1=3.256mm，L1=10.96mm；W2=0.888mm，L2=11.8mm。而原来1.28mm的50欧姆传输线长度变为11.44mm。匹配后输出图象如下：可见此时电路已经实现了匹配，但是新的问题又来了，如图可以看到2.5GHz处的衰减为-2.575dB，和带边上的衰减-3.582dB和-3.227dB相比较相对衰减明显太小。于是现在又面临一个新的问题，如何在尽量不使电路再次不失配的情况下，增加其品质因素？在这里我想了一个笨办法，先是改变元素值，使其在中心衰减稳定的情况下，使右边的倾斜度提高，以使得右边带的衰减符合要求。由于只考虑一边，电路上比较容易实现。然后，在滤波器的前端或后端（我使用后端，出于是电路看上去视觉平衡的原因），加入一个高通滤波器，调节它的3dB衰减位置，使得最终输出可以实现较理想的带通。但是这样也会带来很多困难和矛盾，首先是匹配上会出现问题，其次，由于多级的滤波，使得中心频率上的衰减会越来越大，信噪比会减小。但是，在不能想出更好的办法下，希望能用这个方法来实现设想的滤波器。首先，要设计一个匹配电路，品质因素当然是越高越好，电路设计如下：注意：这里设置的参数是根据后面的匹配得到的。得到输出图象如下：这里的衰减不是非常大，因为考虑到尽量使得中心衰减小，以至于使总的中心衰减不是很大。在滤波器末端加入这个高通滤波后，再进行一些小小的改动仿真。经过匹配后的最终电路为：各对耦合微带线和匹配线都有所改变，从左到右依次为传输线： 耦合微带线为：耦合区号12345W(mm)1.076621.135971.401811.225291.05752S(mm)1.084371.328701.278191.331741.08437L(mm)10.2876611.4510512.0277511.8430811.65398这样得到的最终输出图象为：此时，在较小的反射系数下得到了较为理想的通带衰减，是个比较令人满意的结论。然后进行电路板模拟，用ADS自带的电路板生成工具，得到介质板如下：对其进行仿真，具体操作步骤为：1、 设置Substrate，点击，然后再点击，即完成设置模拟。2、 设置port，全选这个电路图，点击 ，编辑下面这个窗口，完成端口设置。 3、 Mesh仿真，点击，输入框中的频率数值，点击ok开始模拟。4、 最后进行simulate，点击s-simulate设置好参数和点数后，就可以开始进行仿真。最后得到各种图象如下：将输出主要的波形与上面的原理图上主要波形相比较：发现，两者非常相近，虽然有些小小的差别，但是已经比较让人满意了。将电路板的3D图进行仿真，得到了增益图如下：六、 分析整个project在设计过程中主要是注重使带宽符合要求，所以或多或少的对别的因素如中心衰减匹配问题有些忽略，那主要是因为我设计的滤波器如上面所讲的针对窄带滤波来的。在设计过程中发现，由公式根据需要算出来的尺寸和实际仿真出来的结果有很大的出入，这主要是由于计算的时候是根据理想条件来的，而实际上还要考虑到很多其它因素如贴片的边缘电容对电磁波的影响，介质损耗等等。因此在频率的搬移上我做了很大的功夫，时间是费了好久才搞定的。其实最终输出的增益如果从23GHz来看应该是如下所示：可见，在2.2GHz到2.4GHz间有一段很不平滑曲线，如果它进入带宽，会使整个电路失真度奇大无比， 但是我可以不去考虑这些，而把注意力集中在2.4GHz到2.6GHz间，是因为它上一级接的是微带天线，本身带宽就相对较小，在200MHz以内，它已经能将200MHz以外的过滤掉。因此在2.4GHz和2.6GHz内，增益满足要求。另外一个就是匹配问题，在尽量满足带宽的情况下我只好牺牲电路的匹配，而且很难兼顾到两者的共同优化，在这个问题上我尝试了好久始终不能达到成功。从我的设计中可以看到我的滤波器由三部分组成，因此不但损耗会比较大，而且使得电路不能匹配，这些都是我这个电路的本身缺陷。做进一步的分析，是因为我起先定的带宽太小，