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1 ANSOFT培训班教材 滤波器设计基础 谢拥军 西安电子科技大学Ansoft培训中心 1 2 2 滤波器设计基础 滤波器设计基础 LTCC滤波器设计 基本原理 低通原型函数 经典设计方法 频率变换 3 1 1基本原理 定义 filter 对电磁波信号进行过滤 让需要的信号通过 抑制不需要的信号 带通滤波器 4 4 微波带通滤波器指标图解 1 1基本原理 中心频率通带带宽群时延带外抑制 主要参数 插入损耗带内波纹反射损耗 1 1基本原理 6 6 入射功率 反射功率 输入端吸收功率 负载吸收功率 1 1基本原理 7 7 插入损耗 IL 为 如果IL 3dB 那末只有50 入射功率为负载吸收 反射损耗 RL 为 式中 为驻波系数 为反射系数 1 1基本原理 8 带外抑制 规定滤波器在什么频率上会阻断信号 是滤波器特性的矩形度的一种描述方式 也可用带外滚降来描述 即规定滤波器通带外每多少频率下降多少分贝 带内波纹 插入损耗的波动范围 带内波纹越小越好 否则会增加通过滤波器的不同频率信号的功率起伏 1 1基本原理 9 群时延 groupdelay D为 秒 其中负载电流的相位 D表示信号经过滤波器的时延 信号带宽内不同频率分量时延不同将引起调频信号的畸变 最大可允许的畸变可以用DLP来量度 DLP为在给定频带范围内器件相位与线性变化时的相位的最大偏离 9 1 1基本原理 10 10 最普通的滤波器具有低通 高通 带通 带阻衰减特性 滤波器分类 1 1基本原理 11 11 可以从不同角度对滤波器进行分类 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 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 晶体滤波器 声表面波滤波器 等等 1 1基本原理 12 12 1 2滤波器低通原型 低通原型为设计微波滤波器的基础 各种低通 高通 带通和带阻滤波器的传输特性由此原型变换而来 衰减函数的选取满足二个特性 因为滤波器为无源网络 滤波器为无耗网络 因此 而是的偶函数 于是 最平坦型低通原型数学表示式为 式中 满足关系式n对应于电路所需级数 1 2滤波器低通原型 14 参数指标 通带内最大衰减 截止频率 阻带最小衰减以及阻带边频 特点 处 2n 1 阶的导数等于零 在通带内衰减变化及其缓慢 具有最平坦特性 定义为衰减3dB的频带边缘点 最平坦型用巴特沃斯 Butterworth 函数逼近 结构简单 最小插入损耗 适用于窄带场合 1 2滤波器低通原型 切比雪夫低通滤波器特性曲线数学表示式为 式中是n阶第一类切比雪夫多项式 15 1 2滤波器低通原型 16 特点 带内衰减呈等波纹特性 定义为等波纹频带的边缘频率 是波纹的幅度 是波纹因数 越小 波纹幅度越小 切比雪夫型 Chebyshev 结构简单 频带广 边沿陡峭 应用范围广 1 2滤波器低通原型 在之间为余弦函数 故在之间呈现等波纹变换 在时 衰减达到最大值 即 于是 其衰减特性数学表示式 其中 椭圆函数为 1 2滤波器低通原型 椭圆函数低通原型 对于n为奇数的情况 对于n为偶数的情况 1 2滤波器低通原型 参数指标 通带最大衰减 阻带最小衰减 通带带边频率 阻带带边频率 特点 通带和阻带都具有等波纹特性 通带具有若干个零点频率 阻带内具有若干个极点频率 零点和极点的数目相同 椭圆函数型 Elliptic 结构复杂 边沿陡峭 适用于特殊场合 1 2滤波器低通原型 20 20 逼近函数性能比较N 5 Ripple 0 01 中心频率f 7 5GHz 通频带7 8GHz N 5时 两种逼近函数的S21特性比较 N 5时 两种逼近函数的S11特性比较 1 2滤波器低通原型 21 21 Chebyshev比butterworth的带外抑制特性要好 Chebyshev低通原型由于带内波纹的引入 其通带带宽比butterworth宽 通过比较 相同阶数 中心频率的逼近函数 综合以上考虑 通常采用Chebyshev函数逼近 1 2滤波器低通原型 低通原型的综合滤波器为无耗网络 满足 则衰减函数 得归一化输入阻抗 进而由辗转相除的网络综合方法综合出低通原型的梯型网络电路 1 2滤波器低通原型 23 令 归一化输入阻抗的通式为 将该归一化输入阻抗的分子分母多项式不断的辗转相除 直到除尽为止 1 2滤波器低通原型 24 是串联归一电感 是并联归一电容 即电感输入 1 2滤波器低通原型 25 若归一化输入阻抗的分子多项式的幂比分母多项式低 则辗转相除后得到的连分式中为并联归一电容 为串联归一电感 即电容输入 注 现在根据不同低通原型的不同衰减值 以及所确定出元件数目n 则通过查低通原型的归一元件值表 即可得出归一化低通原型电路 1 2滤波器低通原型 26 低通到带通的频率变换 a 低通响应 b 带通响应 1 3频率变换 27 由频率变换式 低通原型的电感变换为带通滤波器的电感和电容相串联的电路 即 1 3频率变换 28 低通原型中的电容变换为带通滤波器的电感和电容相并联的电路 即 其中 低通原型频率变量 带通滤波器频率变量 带通滤波器的中心频率 带通滤波器通带的相对带宽 1 3频率变换 1 3频率变换 30 1 4经典设计方法 经典方法设计步骤 技术指标 频率变换 设计具体电路 综合低通原型 31 31 集总参数带通滤波器经典方法设计 设计实例 技术指标 L C切比雪夫型 带通 中心频率 75MHz 3dB带宽 10MHz 带内波纹 1dB 工作频带外75 15MHz的衰减 30dB Z0 50 1 4经典设计方法 32 确定指标特性阻抗 上通带边频 下通带边频 上阻带边频 下阻带边频 通带内最大衰减 阻带最小衰减 1 4经典设计方法 33 计算相关参数 1 4经典设计方法 计算元件节数n 由带内波纹确定 将代入衰减函数 由阻带衰减确定n 1 4经典设计方法 得 n取整数3 1 4经典设计方法 契比雪夫多项式 其中 进一步由 得到 再确定出 对进行辗转相除 计算低通原型元件值 这里 各元件值下表所示 1 4经典设计方法 得到契比雪夫低通原型元件的值 进而再通过频率变换得到带通元件值 37 生成电路图 其电路图下图所示 1 4经典设计方法 38 仿真结果图 1 4经典设计方法 39 39 1 5LTCC滤波器设计 设计方法 40 40 设计流程 1 5LTCC滤波器设计 41 41 软件功能 1 5LTCC滤波器设计 42 42 AnsoftLTCCDesignKit AnsoftLTCCV2简介 AnsoftLTCCV2功能 定义材料和其他设计条件包含电容 电感等LTCC设计元件库能导入AnsoftDesigner进行LTCC设计包含原理图和拓扑图的S参数仿真提供拓扑文件便于PlanerEM和3DEM的仿真验证 1 5LTCC滤波器设计 43 43 界面操作方便提供各元件参数的方便设置陶瓷材料或导体材料的厚度和宽度陶瓷材料的介电常数金属材料的电导率考虑临近元件之间的耦合效应和寄生效应方便设置元件层数提供快速 精确的平面仿真优化AnsoftDesigner PlanerEM提供3D仿真优化AnsoftHfss 3DEM AnsoftLTCCV2优点 1 5LTCC滤波器设计 44 44 AnsoftLTCCV2元件库 1 5LTCC滤波器设计 45 45 1 5LTCC滤波器设计 46 46 LTCC层叠式滤波器Ansoft仿真设计实例 技术指标 滤波器设计1 多层基板 低通VHF 甚高频 滤波器设计2 多层基板 低通L波段 1 2GHz 滤波器设计3 多层基板 通频带L波段 1 2GHz 注意 以下具体设计步骤图解采用滤波器设计1 1 5LTCC滤波器设计 47 47 软件的设计功能 1 3DEM调谐和优化2 3D验证 1 电路原理图设计2 LTCC电路图设计3 物理模型设计和导出 1 5LTCC滤波器设计 48 48 电路原理图设计 利用 FilterDesignWizard 滤波器综合工具综合滤波器电路原理图 FilterDesignWizard设计工具为LTCC滤波器设计的提供了电路设计 依据拓扑结构和逼近函数的选择 主要有五个基本步骤 步骤1 Properties步骤2 NormalizedG values步骤3 Specifications步骤4 Mediumproperties步骤5 Finish 1 5LTCC滤波器设计 49 49 选择 insertFilterDesign 进入 FilterDesignWizard 界面进行滤波器原理图设计 1 5LTCC滤波器设计 50 50 FilterDesignWizard的界面 1 5LTCC滤波器设计 51 51 FilterDesignWizard的界面 规定设计指标 1 5LTCC滤波器设计 52 52 FilterDesignWizard的界面 设计完成 1 5LTCC滤波器设计 53 53 输出低通滤波器电路原理图 1 5LTCC滤波器设计 54 54 仿真优化得到的电路原理图 1 5LTCC滤波器设计 55 55 电路原理图仿真结果 1 5LTCC滤波器设计 56 56 LTCC电路图设计 参考综合出的滤波器电路原理图 利用 ANSOFTLTCCV2 进行滤波器LTCC电路图的设计 1 5LTCC滤波器设计 57 57 选择 insertcircuitDesign 进入 AnsoftLTCCV2 界面进行滤波器LTCC电路图设计 1 5LTCC滤波器设计 58 58 常见各种元件 1 5LTCC滤波器设计 59 59 设置材料和结构进入editlayers circuit1对话框 可以完成对层数和材料特性的设置 1 5LTCC滤波器设计 60 60 滤波器设计1 LTCC电路优化模型 1 5LTCC滤波器设计 61 61 优化模型仿真结果 1 5LTCC滤波器设计 62 62 物理模型的设计和导出 在主菜单中选择circuit layouteditor 生成低通滤波器物理拓扑结构 1 5LTCC滤波器设计 63 63 在主菜单中选择edit copytoplanerEM 导入planerEM界面 进行PhysicalPatternLayout的设计 1 5LTCC滤波器设计 64 64 最终PhysicalPatternLayout模型 1 5LTCC滤波器设计 65 65 物理模型的导出 在Designer主菜单中选择layout exporttoHFSS 出现exporttoHFSS对话框 点击保存 Designer自动生成文件类型为VBScriptScriptFile的文件 文件包含滤波器的设计尺寸 材料等各种信息 1 5LTCC滤波器设计 66 66 3D仿真和优化 在相应的存储位置双击文件类型为VBScriptScriptFile图标 AnsoftHfss自动生成相应的LTCC滤波器模型 设置求解条件进行3D仿真验证 1 5LTCC滤波器设计 67 67 设计仿真结果1 滤波器设计1仿真结果 滤波器设计1电路原理图 1 5LTCC滤波器设计 68 68 滤波器设计1LTCC电路图 1 5LTCC滤波器设计 69 69 滤波器设计1物理拓扑图 滤波器设计1三维拓扑图 1 5LTCC滤波器设计 70 70 滤波器设计1立体模型 1 5LTCC滤波器设计 71 71 滤波器设计1的S11和S21参数图 1 5LTCC滤波器设计 72 72 设计仿真结果2 滤波器设计2仿真结果 滤波器设计2电路原理图 1 5LTCC滤波器设计 73 73 滤波器设计2LTCC电路图 1 5LTCC滤波器设计 74 74 滤波器设计2物理拓扑图 滤波器设计2三维拓扑图 1 5LTCC滤波器设计 75 75 滤波器设计2立体模型 1 5LTCC滤波器设计 76 76 滤波器设计2的S11和S21参数图 1 5LTCC滤波器设计 77 77 设计仿真结果3 滤波器设计3电路原理图 滤波器设计3仿真结果 1 5LTCC滤波器设计 78 78 滤波器设计3电路仿真结果 1 5LTCC滤波器设计 79 79 滤波器设计3的LTCC电路图 1 5LTCC滤波器设计 80 80 滤波器设计3物理拓扑图 滤波