6GHz的切比雪夫低通滤波器1

课 程 设 计 说 明 书题目：6GHz的切比雪夫型低通滤波器学院（系）： 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）： 基层教学单位： 学 号学生姓名专业（班级）设计题目6GHz的切比雪夫型低通滤波器设计技术参数1. 具有切比雪夫响应，通带内文波系数小于2dB2. 截止频率为6GHz3. 在为12GHz处的插入损耗必须大于15dB4. 输入输出阻抗为50 Ohm 设计要求1. 根据设计要求确定低通原型的元器件值2. 根据阻抗和频率定标公式，用低阻抗和高阻抗线段代替串联电感和并联电容3. 根据得到的线宽和线长进行建模并仿真计算工作量两周工作日左右 每个工作日四到六小时工作计划2011/11/20-2011/11/23 选定课题并查阅相关资料2011/11/24-2011/11/27 设计课题步骤并上机实践2011/11/28-2011/11/31 整理数据，完成分析2011/12/01-2011/12/03 撰写课程设计任务书参考资料1徐兴福.ADS2008射频仿真电路设计.电子工业出版社.20092陈艳华 李朝晖 夏玮.ADS应用详解射频电路设计与仿真. 人民邮电出版社,2008.93黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用. 人民邮电出版社，2010.14美Reinhold Ludwing著.射频电路设计理论与应用. 电子工业出版社2003.5指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年 月 日 6GHz的切比雪夫型型低通滤波器6GHz Chebyshev low-pass filter摘 要：利用ADS2009软件设计6GHz的切比雪夫型低通滤波器，通过最终的图像，分析该滤波器的功能特性，并与其他滤波器对比分析，阐明此种滤波器的优点所在。Abstract：Use ADS2009 software to design 6GHz Chebyshev low-pass filter, the final image, analysis of the filter function characteristics, and with other filter contrast analysis, elucidation of the filter s advantages.关键字：切比雪夫低通滤波器 集总参数 微带滤波器Keywords：Chebyshev low-pass filter Lumped parameter Microstrip filter原理分析：一.滤波器滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。滤波器分类滤波器特性可以用其频率响应来描述，按其特性的不同，可以分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器等。低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。巴特沃斯滤波器是滤波器的一种设计分类，其采用的是巴特沃斯传递函数，有高通、低通、带通、带阻等多种滤波器类型。巴特沃斯滤波器在通频带内外都有平稳的幅频特性，但有较长的过渡带，在过渡带上很容易造成失真。切比雪夫滤波器同巴特沃斯滤波器相添加图片比，切比雪夫滤波器的过渡带很窄，但内部的幅频特性却很不稳定。巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。该响应非常平坦，非常接近DC信号，然后慢慢衰减至截止频率。巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。1.根据滤波器的选频作用分类低通滤波器从0f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。高通滤波器与低通滤波相反，从频率f1，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。带通滤波器它的通频带在f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。带阻滤波器与带通滤波相反，阻带在频率f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过.低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器，例如：低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器，低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。低通滤波器与高通滤波器的串联低通滤波器与高通滤波器的并联2.根据“最佳逼近特性”标准分类巴特沃斯滤波器从幅频特性提出要求，而不考虑相频特性。巴特沃斯滤波器具有最大平坦幅度特性，其传输函数表达式为： 切比雪夫滤波器切贝雪夫滤波器也是从幅频特性方面提出逼近要求的，其传输函数表达式为：是决定通带波纹大小的系数，波纹的产生是由于实际滤波网络中含有电抗元件；是第一类切贝雪夫多项式。与巴特沃斯逼近特性相比较，这种特性虽然在通带内有起伏，但对同样的n值在进入阻带以后衰减更陡峭，更接近理想情况。值越小，通带起伏越小，截止频率点衰减的分贝值也越小，但进入阻带后衰减特性变化缓慢。切贝雪夫滤波器与巴特沃斯滤波器进行比较，切贝雪夫滤波器的通带有波纹，过渡带轻陡直，因此，在不允许通带内有纹波的情况下，巴特沃斯型更可取；从相频响应来看，巴特沃斯型要优于切贝雪夫型，通过上面二图比较可以看出，前者的相频响应更接近于直线。理想滤波器：理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器，其通带和阻带之间有明显的分界线。也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。而理想滤波器是不存在的，实际滤波器通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。理想滤波器的特性只需用截止频率描述，而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点，两截止频率之间的幅频特性也非常数，故需用更多参数来描述。纹波幅度在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化，其波动幅度与幅频特性的平均值A0相比，越小越好，一般应远小于-3dB。截止频率幅频特性值等于0.707A0所对应的频率称为滤波器的截止频率。以A0为参考值，0.707A0对应于-3dB点，即相对于A0衰减3dB。若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。带宽和品质因数值上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或-3dB带宽，单位为Hz。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力频率分辨力。在电工学中，通常用代表谐振回路的品质因数。在二阶振荡环节中，值相当于谐振点的幅值增益系数，（阻尼率）。对于带通滤波器，通常把中心频率和带宽之比称为滤波器的品质因数。例如一个中心频率为500Hz的滤波器，若其中-3dB带宽为10Hz，则称其值为50。值越大，表明滤波器频率分辨力越高。滤波器因数（或矩形系数）滤波器因数是滤波器选择性的另一种表示方式，它是利用滤波器幅频特性的 -60dB带宽与-3dB带宽的比值来衡量滤波器选择性，记作。越接近于1，滤波器选择性越好。二.低通滤波器的仿真2.1新建滤波器工程运行并打开ADS主窗口，然后创建一个滤波器工程，命名为“Step_Filter”选择长度单位为millimeter，如图1和2所示。图1 ADS主窗口图2 新建一个工程2.2建立一个低通滤波器设计在主窗口工具栏中，单击 图标新建原理图，并命名为“lrf”，选择放置元器件，并将电容、电感、地插入到原理图中相应位置，双击相应器件设置各自的参数，电容值为2pF,电感值为1.5nH。如图3所示。图3 滤波器电路这样一个滤波器电路就完成了。三.用设计向导设计切比雪夫低通滤波器1）打开“Lower_Filter”工程，建一名为“Filter_micro_lrf”原理图，执行菜单【Design Guide】【Filter】，选择“Filter Control ”项，弹出对话框。2）单击图标，在“Filter DG-All”面板中选择一个双端口低通滤波器模型，回到滤波器设计向导中，打开“Filter Assistant”标签页，滤波器类型选“Chebyshev”,即切比雪夫相应。在设计向导中输入滤波器参数如图；First Element选为“Series”，即第一个元器件是串联元器件，然后单击【Redraw】就可看到切比雪夫响应曲线，如图4所示。图4 切比雪夫相应曲线3）返回原理图，双击滤波器元器件查看参数，属性选“Set All”单击【Apply】，然后【OK】，此时滤波器所有参数都显示出来。图5 滤波器模型及其参数4）选择滤波器模型，单击图标，得到滤波器的子电路，如图6所示。图6 滤波器元器件的子电路5）设置好后在滤波器设计向导中选择“simulation Assistant”标签页，“Start”为0，“Stop”为14GHz，“Step”为30MHz。6）单击【simulate】，开始仿真，仿真结果如图7所示。图7 生成的切比雪夫滤波器的响应曲线四.集总参数滤波器转换为微带滤波器Richards变换是将一段开路或短路传输线等效为分布的电感或电容元器件的理论，即将串联电感等效为一段短路短截线将并联电容等效为一段并联短截线。但在实际的微带电路设计中串联短路短截线是无法实现的。Kuroda等效给出了并联短截线和一段传输线以及串联短截线和一段传输线两种电路之间的一种转换方式。3.1 LC滤波器到微带滤波器的转换1）单击滤波器设计向导中，打开滤波器转换助手对话框，如图8所示。选中“LC to TLine”选项，单击集总参数器件中串联电感，在电感转换页面中单击电感转化按钮，添加电感L1、L2，单击【Transform】把电感转化为短路串联传输线。图8 转化助手对话框2）单击返回到滤波器转换助手对话框，单击并联电容，后单击图标，添加电容C1，单击【Transform】把电容转化为开路并联传输线。如图9所示。转换后电路如图10所示。图9 电容转换页面图10 LC转换为短截线的电路图3）单击返回到滤波器转换助手对话框，选中“Tline to Tline(Kuroda)”选项开始转换，如图11所示。图11 Kuroda转换步骤4）单击“Add Transmission Lines”，在输入输出端口分别添加一个元器件，选中，然后【Add】及【Transform】，转换后得到滤波器原理图如图12所示。图12 Kuroda转换后的原理图5）选中“LC，TLine to Microstrip”选项，设置基片厚度为30mil,基片介电常数为4.4，单击【Transform】，如图13所示。图13 短截线到微带线转换步骤6）选中滤波器元器件，单击，得到子电路，如图14所示。单击可返回原理图窗口。图14 转化为微带线后的电路图3.2 Kuroda等效后仿真完成微带滤波器设计后，需对该滤波器进行仿真，以验其性能。1）在原理图设计窗口中选择“simulation-S_Param”元器件面板列表，添加两个终端负载及S参量仿真控制器到原理图中，完成设置的原理图图15所示。图15 滤波器原理图仿真设置2）单击工具栏中执行仿真，结束后放置两个Marker点，用来查看频率响应参数，如图16所示。图16 微带线滤波器仿真结果上面结果可以发现滤波器在6GH处的插入损耗为1.083dB，基本满足设计要求。因此，通过Kuroda转换后就可以得到想要的滤波器了。五.设计心得1.切比雪夫滤波器来自切比雪夫分布，以“切比雪夫”命名，是用以纪念俄罗斯数学家巴夫尼提列波维其切比雪夫。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的