基于ADS的切比雪夫带通滤波器设计

题目切比雪夫带通滤波器设计学生姓名刘帅学号1213014027所在学院物理与电信工程学院专业班级电子1201班指导教师聂翔完成地点陕西理工学院2016年6月1日陕西理工学院毕业设计报告切比雪夫带通滤波器设计作者刘帅陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业12级1班，陕西汉中723000指导老师聂翔摘要本文主要介绍基于ADS2011环境下设计和优化一种切比雪夫带通滤波器的方法。设计中采用平行耦合微带线。报告详细介绍了具体的实现步骤，对设计的滤波器进行仿真、优化、生成版图，优化前原理图仿真结果显示S（21）在9125MHZ处和9775处衰减分别为47283DB和71214DB，通带内插入损耗为358DB,中心频率为9361MHZ,S（11）中回波损耗39604DB。优化后的仿真结果显示S（21）在9125MHZ和9775MHZ处衰减分别为62255DB和60876，中心频率为9449MHZ，插入损耗在193DB,回波损耗较以前也有所减小，以上表明设计方法正确优化成功。关键词ADS；带通滤波器；耦合微带线；仿真；插入损耗陕西理工学院毕业设计报告THESIMULATIONOFCHEBYSHEVPASSBANDFILTERDESIGNLIUSHUAIGRADE12,CLASS1,MAJORELECTRONICSANDINFORMATIONENGINEERING,ELECTRONICSANDINFORMATIONENGINEERINGDEPT,SHAANXIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY,HANZHONG,72300,SHAANXITUTORNIEXIANGABSTRACTTHISPAPERISDESCRIBEDTHEDESIGNANDOPTIMIZATIONMETHODOFCHEBYSHEVBANDPASSFILTERBASEDONADS2011PARALLELCOUPLEDMICROSTRIPLINESAREUSEDINTHEDESIGNREPORTDETAILSTHESPECIFICIMPLEMENTATIONSTEPS,THEDESIGNOFFILTERSIMULATION,OPTIMIZATION,LAYOUTGENERATION,OPTIMIZATIONOFSCHEMATICSIMULATIONRESULTSSHOWTHATS21INTHE9125MHZAND9775ATATTENUATIONWERE47283DBAND71214DBTHROUGHBANDINSERTIONLOSSFORTHE358DB,CENTERFREQUENCYFORTHE9361MHZS11RETURNLOSS39604DBOPTIMIZEDSIMULATIONRESULTSINDICATETHATTHES21INTHE9125MHZAND9775MHZATTENUATIONWERE62255DBAND60876,CENTERFREQUENCY9449MHZ,INSERTIONLOSS193DB,RETURNLOSSTHANBEFOREALSOHASDECREASED,SUGGESTINGTHATDESIGNMETHODISCORRECTANDTHESUCCESSOFTHEOPTIMIZATIONKEYWORDADS；BANDPASSFILTERCOUPLEDMICROSTRIPLINESIMULATIONINSERTIONLOSS陕西理工学院毕业设计报告目录1引言111滤波器的研究背景及意义112滤波器的发展趋势及现状113ADS软件介绍22滤波器基本理论321滤波器基础知识322滤波器的分类323滤波器的设计指标524四种滤波频率的转换5241低通滤波器与低通原型的转换5242高通滤波器与低通原型的转换6243带通滤波器与低通原型的转换6244带阻滤波器与低通原型的转换725微波网络参数83微波传输线931带状线932微带线9321耦合微带线9322耦合微带线特性1033微带线基本参数设计104滤波器的设计与优化12陕西理工学院毕业设计报告41设计方案1242带通滤波器的参数设计1243微带线带通滤波器设计流程图1344微带线带通滤波器的设计和过程13441滤波器设计指标要求13442微带线参数计算1445原理图仿真和优化15451原理图绘制15452原理图仿真19453原理图优化2246版图生成265仿真结果分析总结28致谢29参考文献30陕西理工学院毕业设计报告第1页共30页1引言11滤波器的研究背景及意义滤波器分为低通、高通、带通和带阻四种基本类型，它是用来分离不同频率微波信号的一种器件。随着无线通信的迅猛发展，对于频率资源利用的越来越广泛，它已经成为无线通信系统中的一个重要的组成部分。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。它们的结构、参数和设计方法因不同的工作频率、频带宽度、功率容量等指标而有显著差别。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。滤波，就是从被噪声畸变和污染了的信号中将不必要的信息过滤掉提取原始信号所携带的信息的过程，研究滤波器可以去除输入信号中不必要的信息，也可以消除噪声对输入信号的干扰，它在微波卫星通讯、中级通讯、雷达技术、电子对抗以及微波测量仪器中都有广泛应用。在信号处理的过程中，很多都是需要基于某以特定频率的信号而进行的分析处理。但是在实际的应用中，信号的产生与传播过程，不免会夹带噪声或者其他频率的信号，为了保证信号处理时的“纯净”，除去干扰，滤波器扮演了不可或缺的角色。随着通信技术的不断进步发展，通信设备运用的频率逐日增高，射频RF和微波MW电路得到业界的特别关注，滤波器在通信系统中得以广泛应用。微波滤波器是一种频率选择器件装置，它的性能的好坏对整个系统的通信质量有着非常明显的影响。其作用是提取、分离有用信号而抑制不需要的信号，在现代微波通信系统中起着至关重要的作用，是电子通信等领域里不可缺少的器件之一。近些年，由于电磁环境的复杂化及频率拥挤现象的严重化，对微波滤波器的技术指标有了更进一步的要求，因此，研制性能更佳、体积更小的滤波器以达到降低系统对有用信号的减弱，更好地使所需要的信号通过，阻止各种不需要的干扰信号的目的，已经变为一个深受关心的问题。这也是未来微波滤波器发展的趋势及重要的研究方向。由于微带线本身体积小、质量轻、加工简单容易、制版方便快捷，另外还可以根据不同的应用场合与应用需求来选用不同的介质材料，这样就使得滤波器的应用范围得到了扩大加宽，倍受设计师们的青睐。微带滤波器的电路图仅仅由用一些导体带级联构成的，这样的话便使得它的结构变得更加紧凑，体积将会大大减小，这又成为它的一个优点。现实生活中的一些微波系统，例如GPS、蜂窝通信、电视等，使用的通信设备要求不仅要价钱便宜还要性能高。但工作在这些频段的集成滤波器却朝着与期望的滤波器的性能相反的方面发展，所以需要研究使用在这些微波系统中低损耗、低价钱高性能的物美价廉的滤波器。这方面的研究具有很大的市场前景。现代微波滤波器性能各异，种类繁多，有平行祸合型、阶梯阻抗型、发夹型以及交指型等，但是每种滤波器都有自己的优点和不足，因此必须根据滤波器的实际应用场合和工程应用目的来选择不同类型的滤波器。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。12滤波器的发展趋势及现状1937年，由WPMASON和RASYKES发表的文章中首先研究了微波滤波器，他们推导出了大量有用滤波器相位和衰减函数。在随后许多的专家学者也致力于微波滤波器的研究，并且在微波滤波器理论的研究和发展过程中做出了很大的贡献。COHN通过对总元件低通滤波器原型机的研究第一个提出了方便实用的直接耦合空腔滤器。在20世纪60年代，GLMATTHAEI在对微波滤波器的经典设计方法有了一个相对全面系统的介绍，但也只是主要是切比雪夫型和最平坦型，并没有涉及到广义切比雪夫型和椭圆函数型。在20世纪70年代初，AEWILLIAMS和KURZROK提出用于分析交叉耦合的低阶滤波器。AEATIA，AEWILLIAMS和RWNEWCOMB对交叉耦合展开了研究，总结出当传输零点对称分布时的偶模网络和相应的偶模矩阵的综合方法。LEVY建立了集总和分布原型的元件公式间的联系，给出了推导原型元件的简单而准确的公式；RHODE建立起了线性相位滤波器理论。1999年CAMERON把广义契陕西理工学院毕业设计报告第2页共30页比雪夫滤波器的传输零点由实数扩展到复数，从而将传输零点和时延结合起来研究，提出用循环递归的方法构成广义切比雪夫的传输和反射函数多项式，根据导纳矩阵和部分分式展开求取留数，再利用施密特正交变换的方法综合耦合矩阵，其矩阵综合和消零计算量较大。如何将不可实现或不是最简的耦合元素消零成为研究热点，但目前国际上主要采用相似变换（矩阵旋转）尽可能多地消去非零元。这一系列贡献，都可以说是微波滤波器发展史上的重大突破。如何将不可实现或不是最简的耦合元素消零成为研究热点，但目前国际上主要采用相似变换矩阵旋转尽可能多地消去非零元。这一系列贡献，都可以说是微波滤波器发展史上的重大突破。1220世纪50年代后期我国开始广泛的使用滤波器，在当时滤波器主要用于话路滤波和报路滤波。七十年代初期，我国的老一辈微波专家李嗣范、甘本拔、林为干、吴万春等，在国外研究成果的基础上,通过对滤波器的设计理论和方法的研究，对其进行了完善和补充，为我国微波滤波器的研究奠定了良好的基础。13ADS软件介绍ADSADVANCEDDESIGNSYSTEM高级系统设计是一种支持模块到系统的由美国安捷伦公司开发的一种微波仿真软件，由于其仿真手段强大且仿真功能丰富多样，是当今通信系统中设计射频和微波电路的第一个选择软件，它能够实现包括时域频域、数字模拟、线性和非线性等很多方面的计算及仿真，并能够优化设计结果，设计的版图转化成品的性能分析等，采用ADS软件可以使复杂电路变得简单化，提高设计效率，缩短设计时间。ADS软件一个功能十分强大的射频自动化设计软件工具，该软件便于与其他软件连接，便于与测试设备连接，便于与厂商元器件模型之间的沟通，并提供丰富的仿真功能，实业界首选的视频自动化软件设计平台。因此深受广大电子工程设计师们的喜爱。ADS具有丰富的仿真分析功能，主要应用在微波系统电路仿真设计、数字信号处理仿真设计、系统的仿真、电磁场的矩量仿真、二维或三维电磁仿真、频域电路仿真等。ADS内含矩量法，是一种对第三维度进行简化的电磁场仿真器，非常适合仿真第三维度上均匀变化的结构，例如电路多层板，如PCB，陶瓷等电路板，常见无源电路，如滤波器等结构。仿真速度极快，同时保证精度很高。因此在电磁场的数值计算中应用十分广泛。矩量法将激励和加载分割成若干个部分，并将一个泛函方程化成矩阵方程，从而得到射频电路电磁分布的数值解，若激励和加载分割的越细致，矩量法的点此数值解就越精确。本文采用ADS2011软件设计一个切比雪夫带通滤波器。滤波器的中心频率设定945MHZ；由于带内插入损耗小于3DB，所以设定插入损耗为2DB；根据任务书中要求得知，在912MHZ和9775MHZ的衰减要大于60DB；带宽为25MHZ,所以上下通频带为9325MHZ和9575MHZ。采用平行耦合微带线的方法，通过耦合微带线的特性阻抗利用ADS的微带线计算模块，计算微带线的W、S、L。通过ADS进行仿真和优化，验证所设计的微波带通滤波器的准确性。陕西理工学院毕业设计报告第3页共30页2滤波器基本理论21滤波器基础知识滤波器当中最基本的滤波器是低通滤波器，其它类型的滤波器都可以通过低通滤波器的原型转化而来。巴特沃斯滤波器（最大平坦滤波器）和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。微波滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这种类型滤波器的带宽较窄，虽然无法满足所有的应用需求，但是由于它设计简单，所以在一些地方还是值得应用的。我们可以将滤波器看成一个二端口的匹配网络，其具有的特性就是选择频率。通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性，即（21）式中。PIN和PL分别表示在输出端有匹配负载接入时的滤波器输入功率和负载吸收功率。22滤波器的分类按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种根据电路理论，滤波器的种类可分为低通、高通、带通、及带阻四种而归一化低通滤波器是一个基本的结构单元,所有四类滤波器都可由此导出按滤波器的频率响应来划分，常见的有巴特沃斯型、切比雪夫型、切比雪夫型及椭圆型等；按滤波器的构成元件来划分，则可分为有源型及无源型两类；按滤波器的制作方法和材料可分为波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带滤波器。对于频率较低的射频滤波器可采用分立元件实现,频率的提高意味着波长的减小，而工作频率超过500MHZ时，由于工作波长与滤波器的物理尺寸相近，电阻、电容和电感这些元件的电响应将开始偏离它们的理想频率特性，从而造成了多方面的损耗并使电路性能严重恶化。因此，实际滤波器的设计必须将集总参数元件变换为分布参数元件。如图221为低通、高通、带通和带阻的四种衰减特性曲线；ABCD图221（A）低通（B）高通（C）带通（D）阻带四种特性曲线A巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器具有的特点就是在通频带内的其频率响应曲线有最大限度的平坦，且没有起伏，而在接近阻频带时逐渐下降为零。在振幅的对数对角频率的波DBPPALLINALG10LG10陕西理工学院毕业设计报告第4页共30页的图上，从某一边界角频率开始，振幅随着角频率的增加而慢慢减小，最后趋向负无穷大。一阶的巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频6DB，每十倍频20DB；二阶的巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频12DB；三阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频18DB；如此类推，巴特沃斯滤波器的振幅对角频率单调下降，并且也是唯一的不管阶数为多少，其振幅对角频率曲线都保持同样形状的滤波器。只不过滤波器阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。其他滤波器高阶的振幅对角频率图和低级数的振幅对角频率有不同的形状。巴特沃斯低通滤波器频率响应的数值表达式为NPL221LOG22式中是纹波系数，归一化角频率为，其中表达式22中的N滤波器的介数，对应响应曲线，如图223图223巴特沃斯响应曲线B切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器是在一种在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。在通带中波动的切比雪夫滤波器称为“I型切比雪夫滤波器”，在阻带中波动的则称为“II型切比雪夫滤波器”。在过渡带时切比雪夫滤波器的衰减相对于巴特沃斯滤波器来说衰减的快一些，然而切比雪夫滤波器的频率响应的幅频特性的平坦度没有巴特沃斯好。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在一定幅度的波动。切比雪夫低通原型响应表达式为122COSCOS1LG10NLP，12322COSH1LG10NLP，124式中、和巴特沃斯滤波器相同，响应曲线，如图223图223切比雪夫响应曲线11010PIL0陕西理工学院毕业设计报告第5页共30页0RGLCKKKKZZC低通滤波器低通滤波器容许低频信号通过，但减弱（或减少）频率高于截止频率的信号的通过。对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。当其应用在音频中时，它有时被称为高频剪切滤波器，或高音消除滤波器。高通滤波器则相反，而带通滤波器则是高通滤波器同低通滤波器的组合。23滤波器的设计指标滤波器的指标形象地描述了滤波器的频率特性响应特性。下面是对这些指标的一些简单的描述。（1）绝对衰减（ABSOLUTEATTENUATION）阻带中最大衰减（DB）。（2）带宽（BANDWIDTH）通带衰减到3DB时对应的带宽。（3）中心频率CF或F0F。（4）截止频率下降沿3DB点时的频率。（5）每倍频程衰减（DB/OCTAVE）离开截止频率一个倍频程衰减（DB）。（6）微分时延（DIFFERENTIALDELAY）两特定频率点群时延之差以NS计。（7）群时延（GROUPDELAY）任何离散信号经过滤波器的时延（NS）。（8）插入损耗IL（S21）由于滤波器的使用使得系统内存在插入损耗。滤波器通带内的最大损耗包括构成滤波器的所有元件的电阻性损耗（如电感、电容、介质、导体的不理想）和滤波器的回波损耗（两端电压驻波比不为1）。插入损耗限定了工作频率，也限定了使用两端的阻抗（9）带内波纹（PASSBANDRIPPLE）在通带内插入损耗的波动范围，带内波动越小越好。（10）带外衰减由于要阻止没有用的信号通过，所以在带外的衰减越大越好，一般会取截止频率与通带外形成一定壁纸的某个点的频率的衰减数值作为此项的指标。（11）回波损耗RETURNLOSS，简称RL信号从信号源进入滤波器时，由于输入端I1处的失配，有部分信号在输入端口处发生反射，进入信号源，这就是回波损耗（25）此次设计的切比雪夫带通滤波器主要考虑其中心频率、带内波纹、带外衰减、插入损耗和回波损耗，设计要求中心频率为945MHZ,带内插入损耗小于3DB,带宽为25MHZ，在9125MHZ和9775MHZ两处衰减要大于60DB。24四种滤波频率的转换241低通滤波器与低通原型的转换设实际低通滤波器和低通原型滤波器的频率变量分别为和，为了实现频率变换，采用频率变换公式为（26）为了满足在对应频率点处具有相同的衰减特性，因此要求网络中相应元件在两种频率下具有相同的阻抗特性，用公式表示为（27）最终得到如图241所示的对应电路（电感输入式），计算结果为（28）SRL11LOG20C陕西理工学院毕业设计报告第6页共30页01RGGNL0RGCCII01RGRNL（29）其中0R为信号源内阻，NG为相应的低通原型滤波器元件值，实际负载的值同样由原型电路的负载性质所定，若1NG和NG并联，则（210）若1NG和NG串联，则（211）图241低通原型和低通滤波器的转换电路242高通滤波器与低通原型的转换为了可以让高通滤波器变换成低通原型滤波器的衰减特性，采用频率变换函数C（212）使用等衰减的条件得到，CKKGRL0（213）ICGRC011（214）经过变换后电感输入式低通原型和高通滤波器对应的电路原型图，如图242所示图242低通原型和高通滤波器的转换电路243带通滤波器与低通原型的转换为了可以实现让带通滤波器变换成低通原型的衰减特性，采用频率变换函数00001201FBWCC（215）陕西理工学院毕业设计报告第7页共30页式中，012CCFBW为相对带宽，210CC为中心频率。运用等衰减的条件得到,0000RGFBWCFBWRGLKKKK0000RFBWGCGFBWRLIIII（216）式中KL、KC、IL、IC分别为串联谐振器的元件值和并联谐振器的元件值。低通原型电感输入式转换为实际带通滤波器的电路图，如图243所示。图243低通原型和带通滤波器的转换电路244带阻滤波器与低通原型的转换为了可以使带阻滤波器转换成低通原型的衰减特性，可以采用频率变换函数0011FBW（217）式中，21CCFBW为相对带宽，210CC为中心频率。运用等衰减的方法，最终得到元件值为,10000RGFBWCFBWRGLKKKK0000RFBWGCFBWGRLIIII（218）式中KL、KC、IL、IC分别从并联谐振器的元件值和串联谐振器的元件值。低通原型电感输入式转换为带阻滤波器的电路图，如图244所示。图244低通原型和带阻滤波器的转换电路陕西理工学院毕业设计报告第8页共30页25微波网络参数任何一个微波电路都可以用一个对应的网络表示，不用考虑网络内部的供电和电磁场结构，只考虑对外呈现的电气特性，如衰减、反射、滤波、相移、放大等，在射频/微波电路中经常使用的参数有Z、Y、A、S四种。Z、Y和A参量是依靠网络端口电流电压来定义，S参数是按照网络端口的输入输出波定义。而在微波滤波器的设计中，衡量一个滤波器设计是否成功主要就是依靠S参数的仿真曲线。我们经常说的S参数即是散射参数，以一个二端口网络为例，如图251所示。图251二端口微波网络在图251所示的二端口微波网络中，1A和1B分别为端口1的归一化入射电压波和反射电压波；2A和2B分别为端口2的归一化入射电压波和反射电压波。二端口微波网络的输入和输出之间的关系可以表示为2121111ASASB（219）2221211ASASB（220）即（220其中（221）式218、219称做散射方程，S叫散射矩阵或散射参数。由式218和（219）可以得出二端口网络的S参数为即当端口2匹配时端口1的反射系数；即当端口1匹配时端口2的反射系数；即当端口1匹配时，端口2到端口1的传输系数；即当端口2匹配时，端口1到端口2的传输系数。通过上面的分析我们可以看出，微波网络的S参数具有确定的物理意义。实际上，我们以往所经常使用的如Z参数、Y参数和H参数等均可以通过计算与S参数互相换算。但在微波频率上，只有S参数是可以测量出来的，这样也就解决了微波网络参数的测量问题。2121AASBB22211211SSSSS，011112AABS，021221AABS，021121AABS,012212AABS陕西理工学院毕业设计报告第9页共30页3微波传输线在50世纪中期以前，所有的微波设备几乎都采用金属波导和同轴线电路。随着航空航天技术的发展提升，要求微波电路和系统做到小型、轻量、性能可靠。最关键的问题就是有一个新的导行系统，而且要是平面型结构，使微波电路和系统能够集成化。20世纪50年代初诞生了第一代微波印制传输线带状线。在有些地方，它可以取代同轴线和波导，用来制作微波无源电路。随着芯片型式微波固体器件的发展，要求有适合其输入输出连接的导行系统，所以在60年代出现了第二代的微波印制传输线微带线。831带状线带状线又称三板线，由两块相距B的接地板，与中间的宽度为W厚度为T的矩形截面导体带构成，接地板之间填充均匀介质或空气。带状线可以代替同轴线制作高性能无源元件；但它不便外接固体微波器件，因此不宜用做有源微波电路。32微带线微带线（MICROSTRIPLINE）是现在混合微波集成电路和单片微波集成电路使用最频繁的一种平面传输线。它可用光科程序制作，且容易与其他无源微波电路和有源微波器件集成，从而实现微波部件和系统的集成化。微带线是在金属化厚度为H的介质基片的一面制作宽度为W、厚度为T的导体带，另一面作接地金属平板而构成的。最常用的介质基片材料是纯度为995的氧化铝陶瓷（00030,1059TGR）、聚四氟乙烯（00040,12TGR）和聚四氟乙烯玻璃纤维板（0080,552TGR）；用作单片微波集成电路的半导体基片材料主要是砷化镓（0060,013TGR）。8微带线特性阻抗如式31和模型如图321所示，其中Z0是微带线的特性阻抗,W是微带线宽度，T是微带线厚度，H是电介质厚度，R是硬质电路板的相对介电常数。TWHZ80895LN41187R0（31）图321微带线模型微带线具有体积小，重量轻等特性与金属波导相比较但其损耗较大，功率的容量也较低。60年代初，微波低损耗的介电材料和微波半导体器件的发展，形成了微波集成电路，微带线被广泛使用，出现了各种类型的微带线。一般用薄膜技术制造。通常介电常数高的、微波损耗低的材料被选为介质基片。所以，微带线导体具有较高的导电性，且稳定性好，并且基片的附着力很强等特性。在手机电路中，一条特殊的印刷铜线即构成一个电感微带线，在一定条件下，我们又称其为微带线。一般有两个方面的作用一是它把高频信号能进行较有效地传输；二是与其他固体器件如电感、电容等构成一个匹配网络，使信号输出端与负载很好地匹配。8321耦合微带线当两个无屏蔽的传输线紧靠一起时，由于传输线之间电磁场的相互作用，在传输线之间会有功率耦合，这种传输线称为耦合传输线。耦合微带传输线由靠得很近的3个导体构成，如图322所示。这种结构介质厚度为D，介质相对介电常数为R，在介质的下面为公共导体接地板，在介质的上面为2个宽度为W、相距为S的中心导体带。陕西理工学院毕业设计报告第10页共30页图322耦合微带传输线322耦合微带线特性与单根微带线一样，耦合微带线为非均匀介质填充，其传输线模实为混合模，因此分析方法也有准静态法、色散模型法和全波分析法三种。用准静态法分析便是引入有效介电常数为E的均匀介质，代替耦合微带线的混合介质，但由于耦合微带线存在奇模和偶模激励两种状态，所以有效介电常数也分为奇模有效介电常数EO和偶模有效介电常数EE1EOOROCC，1EEERECC（32）用保角变换法求得奇、偶模电容RCO、RCE和1OC、1EC，再由式（32）、（33）和式（34）可求得耦合微带线的奇、偶模特性阻抗及有效介电常数。COVCVCOCOLCOLZPPO1O111O0（33）E11E011CVCVCCLCLZPEPEEEE（34）33微带线基本参数设计（1）基板参数基板介电常数R、基板介质损耗角正切TAN、基板高度H和导线厚度T。（2）电特性参数特性阻抗0Z、工作频率0F、工作波长0、波导波长G和电长度。（3）微带线参数宽度W、长度L和单位长度衰减量DBA。构成微带线基板材料、微带线尺寸与微带线的电性能参数之间存在严格的对应关系。微带线的设计就是确定满足一定电性能参数的微带物理结构。计算公式如下A综合公式知道传输线的电特性参数（0Z、），计算微带线的（W、L、DBA）窄带THTE2LN1宽带2HE（36）2GL（37）DCA（38）其中EG0（39）TTEE4LN12HEW陕西理工学院毕业设计报告第11页共30页（310）TAN117320REERRDFC（311）0002110LN2000ZFFC（312）4LN12LN11219119120RRRRZH（313）RZD029559（314）B分析公式知道微带线的物理结构参数（W、L、DBA），计算电特性（0Z、）HWHWHWHWWHWHRRRRRRRRRZ33902LN2ELN2121216ELN4LN229119334LN12LN121244LN1291190122宽带窄带（315）GP2（316）317RHRRRRZHZDDDHE244E418E244517029301LN112LN1201H0高阻低阻RRRRRRERRZHZHR2444LN12LN112112124410121210205550高阻低阻陕西理工学院毕业设计报告第12页共30页1001,021GGZJ1,3,2,21101,NIGGZJIIII其中4滤波器的设计与优化41设计方案（1）方案一根据任务书所给指标，直接利用ADS仿真软件中的设计向导进行仿真设计。（2）方案二运用低通转带通的关系公式，利用所给指标计算出切比雪夫原型介数，查表得到切比雪夫元件值，依据低通原型到带通原型的转换公式，计算得出带通滤波器的电感、电容数值，然后在用ADS软件进行仿真优化。（3）方案三运用平行耦合微带线进行切比雪夫带通滤波器的设计，根据任务指标，计算切比雪夫原型介数，查找切比雪夫元件表得出切比雪夫元件值，由元件值计算出微带线的奇偶模的输入输出特性阻抗，利用ADS的LINECALE工具计算出微带线的W、S、L，从而设计出切比雪夫带通滤波器的原理版图。（4）方案比较和采用方案一所采用的方法虽然简单快捷但是不符合毕业设计的技术水平；方案二较方案一而言具有清晰的计算过程，可以看到具体的设计步骤，但是计算公式太多，计算量较大容易出错；方案三较于方案二计算相对简洁一些，可以充分利用ADS软件，而平行耦合微带线带通滤波器也是非常普遍的一种设计方法，因此最终决定运用方案三进行仿真设计。42带通滤波器的参数设计（1）选择低通滤波器参数。利用带通滤波器的频率转换公式，确定归一化频率。根据需要的衰减和波纹，选定采用巴特沃斯或切比雪夫设计方法，来确定滤波器的阶数和相应的低通滤波器参数1G,2G,NG,1NG。频率转换公式（41）归一化带宽（42）（2）用1G，2G，NG，1NG和确定带通滤波器电路中的设计参数耦合传输线的奇模和偶模的特性阻抗（43）（44）（45）（46）（47）其中，下标I,1I表示耦合段单元，表示相对带宽，0Z取50，EZ0、OZ0是滤波器2210012FBW1201,001,O0IIJZJZZZII10121NNNNGGZJ，121,01,000IIIIEJZJZZZ12000陕西理工学院毕业设计报告第13页共30页输入、输出端口的传输线特性阻抗。图421为平行耦合微带线耦合单元。图421级联耦合微带线带通滤波器43微带线带通滤波器设计流程图计算查表得出介数N计算耦合微带线输入输出阻抗计算微带线的W、S、L仿真（优化）否达到指标要求最终仿真原理图44微带线带通滤波器的设计和过程441滤波器设计指标要求（1）中心频率945MHZ（2）通带带宽25MHZ（3）插入损耗小于3DB（4）阻带衰减在距离中心频率325MHZ处的衰减大于60DB确定带通滤波器指标陕西理工学院毕业设计报告第14页共30页从以上设计指标可以得到滤波器的通频带为9325MHZ和9575MHZ,上下阻带边频分别为9125MHZ和9775MHZ，相对带宽为26。442微带线参数计算选择的微带线基板参数（1）介电常数（2）介质基片磁导率1MUR（2）损耗正切角0TAND（3）基板厚度MMH1由于带内插损小于3DB,所以选取纹波系数DBLAR2的切比雪夫元件值，式中S为归一化截止频率，ASL为截止衰减；SARASLLN110101COSH110110COSH（48）由式（48）可求得滤波器的介数5N。查表41可得2D切比雪夫元件值为78273,89850,83102,13425160GGGGGGG表41DBLAR2的切比雪夫元件值20DB切比雪夫元件值NG1G2G3G4G5G6G7G8G9G10115296100002248810607540957327107083272710710000427925088063606306819409575283100898537827089852831010000628521090713846709393371510696440957728655091193878009535387800911928655100008287330915138948096053933509510374770701640957928790091713905609643395980964339056091712879010000根据公式（43），（44），（45），（46），（47）计算出奇偶模的特性阻抗，其中相对带宽为62，借助ADS软件的LINECALC功能计算出微带线的W、S、L（微带线物理结构计算在33有介绍），计算结果如表42所示。表42微带线的奇偶模特性阻抗及W、S、L计算模块如图441所示。级数Z0EZ0O宽度/MM间隙/MM长度/MM05672644715214046103518475469151312487522220803975924744532511324891722230644713247467135113248917222306447132474671451312487522220803975924744535567264471521404610351847546963R陕西理工学院毕业设计报告第15页共30页图441ADS中LINECALC功能模块45原理图仿真和优化451原理图绘制（1）运行ADS2011,打开ADS主窗口。通过执行菜单命令FILENEWWORKSPACE新建新的工作窗口，或点图标创建一个工程文件，如图451所示。图451ADS2011工程文件窗口（2）在新建的工作窗口建立原理图工程，执行菜单命令FILENEWSCHEMATIC，如图451所示。图451ADS原理图绘制窗口（3）在“TLINESMICROSTRIP”类中选择控件，双击编辑其中的属性；选择微带线陕西理工学院毕业设计报告第16页共30页开路线蝶阀控件2个，选择耦合线控件6个，并进行连接。如图452所示。图452初始元件连接图（4）选择“SIMULAIONS_PARAM”库，添加2个TERM元件，再加两个接地，用线连接元件，构成完整电路原理图，如图453所示。图453完整电路图（5）设置微带线电路参数，双击图上的MSUB设置微带线参数，如图454所示。双击微带线参数设置控件，弹出参数设置窗口，按照以下内容进行设置1H10MIL，表示微带线介质基片厚度为1MM2ER36，表示微带线介质基片相对介电常数为363MUR1，表示微带线介质基片磁导率为14COND10E50，表示微带线金属片的电导率为10E505HU10E033MM，表示微带电路的封装高度为10E033MM6T0，表示微带线金属片的厚度为07TAND0MM，表示微带线的损耗角正切为0MM8ROUNGH0MM，表示微带线的表面粗糙度为0MM陕西理工学院毕业设计报告第17页共30页图454MUSB参数设置面板设置后的MUSB控件如图455所示。图455MUSB设计参数（5）用鼠标双击原件MLIN,依次修改原件参数，设负载阻抗500Z，计算得出W为221454MM，L为471960MM，如图456所示。陕西理工学院毕业设计报告第18页共30页图456微带线MLIN设置面板（6）用鼠标双击原件MCFIL,按照表42中的计算结果依次修改设置原件参数并进行保存，如图457所示。设置修改完所有元件参数电路原理图，如图458所示。图457MCFIL参数设置面板陕西理工学院毕业设计报告第19页共30页图458拥有设计参数的电路原理图452原理图仿真完整的电路原理图设计完之后，根据任务书所给指标进行仿真，仿真步骤如下（1）在设计窗口，选择S参数控件面板“SIMULATIONS_PARAM”，选择两个“TERM”，放置在“MLIN”两端，“TERM”一端接地一端接“MLIN”。（2）选择，放置在原理图中，双击进行设置，如图459所示。置扫描类型为线性（LINEAR），并设置扫描的频率范围为800MHZ1100MHZ，步长选择为05MHZ，设置完的“SP”参数如图4510所示。（3）将设置完成的参数点击OK保存,点击SIMULATION按钮进行仿真，如图4511所示。图459仿真参数设置面板陕西理工学院毕业设计报告第20页共30页图4510仿真参数图4511ADS2011原理图仿真面板（4）选择需要的指标“插入损耗S（21）”、“回波损耗S（11）”，单击ADD按钮，如图4512所示。在弹出的“COMPLEXDATA”中选择“DB”做为单位，如图4513所示。图4512仿真参数选择陕西理工学院毕业设计报告第21页共30页图4513仿真参数单位选择（5）点击OK,生成仿真结果图，在仿真图中加入“MAKER”如图4513和图4514所示。图4514插入损耗S（21）特性曲线由图4514插入损耗特性曲线可以看出在，M1和M2为任务书中距离中心频率325MHZ处的两个衰减指标分别为47283DB和71214DB,M2满足设计要求而M1不满足衰减大于60DB的要求；M3和M4为滤波器的两个上下通频带，由M3、M4得知带宽为235MHZ,中心频率为936MHZ,M6和M7为3DB带宽的上下边频,M5为通带内的最大衰减为3638DB。在上述指标中仅M2满足设计指标，中心频率向左偏移失真。陕西理工学院毕业设计报告第22页共30页图4515回波损耗S（11）的特性曲线由图4515回波损耗特性曲线可以看到，M10和M9分别为设计中要求的上下通频带，然而下通频带明显失真，带通内的最大回波损耗为39604DB。结合图4514和图4515中的仿真数据可以得知，仿真未能实现预期的设计目标。要让各项指标满足设计指标就要对电路图进一步优化，对耦合微带线的宽度（W）、间隙（S）、长度（L）进行重新取值使得所设计的带通滤波器满足设计要求。453原理图优化运用ADS中的“OPTIM”和“GOAL”控件进行优化，具体步骤如下。（1）修改微带线的取值方式，将定值变为范围取值。由于在设计中取用的电长度为4，所以只需要优化微带线的耦合间隙（S）和微带线的宽度（L）。如图4516所示（2）用同样的方法修改其他耦合微带线的数值。（3）选择优化方式。添加优化控件“OPTIM”,选择“OPTIM/STAT/DOE”数据库选择控件添加到原理图中，双击进行设置。如图4517。图4516优化参数的修改陕西理工学院毕业设计报告第23页共30页图4517OPTIM优化控件设置面板设置优化方法为随机RANDOM，随机法通常用于大范围搜索，此次优化方法比较适合随机RANDOM。优化次数为200次，设置完的“OPTIM”控件如图4518所示。图4518OPTIM优化控件参数（4）设置优化目标“GOAL”,添加四个优化目标控件，并设置参数1在“EXPR”项中输入表达式“DBS2,1”，表示优化的目标是输出的DB值；2在“SIMINSTANCENAME”项中输入“SP1”，表示是针对S参数仿真SP1进行的优化；3LIMITMIN2，表示优化的目标是DBS2,1不小于2；4WEIGHT100，说明优化的参数比较重要；5INDEPVAR1“FREQ”，表示优化是在一定的频率范围内进行的；6INDEPMIN19325MHZ，表示频率优化范围的最小值为9325MHZ；陕西理工学院毕业设计报告第24页共30页7INDEPMAX19575MHZ，表示频率优化范围的最大值为9575MHZ；8按照上面的方式优化其他两个优化目标控件。优化设置如图4519所示。图4519GOAL优化目标设置面板设置完成的四个优化目标控件，分别为三个插入损耗S（21和一个回波损耗S（11）在优化目标设置时S21分别优化在距离中心频率325MHZ处衰减大于60DB两个指标和通带内的插入损耗小于2DB，优化S（11）使其通带内的回拨损耗尽可能的小。优化目标参数如表43所示。优化目标设置，如图4520所示。完成设置后保存得到优化原理图，如图4521所示。表43优化目标参数BUTTONOPTIMGOAL1OPTIMGOAL2OPTIMGOAL3OPTIMGOAL4EXPRDBS21DBS21DBS21DBS11SIMINSTANCENAMESP1SP1SP1SP1WEIGHT100100200200LIMITMIN2保留保留30LIMITMAX保留6060保留INDEPVARFREQFREQFREQFREQINDEP1MIN9325MHZ9105MHZ9775MHZ9325MHZINDEP2MAX9575MHZ9125MHZ980MHZ9575MHZ陕西理工学院毕业设计报告第25页共30页图4520优化目标设置图4521添加优化控件和目标的优化原理图（5）完成相关参数设置之后，单击工具栏中的SIMULATEOPTIMIZE或图标按钮进行优化仿真。优化过程中系统会自动打开一个状态窗口显示优化结果，其中的“CURRENTEF”表示与优化目标的偏差，当它的值减小到0的时候表示达到了优化目标如图4520所示。优化结束后数据显示窗口会自动。由于选择的优化方法是随机RANDOM，因此每次优化的结果都会有所不同甚至相去甚远，所打开以要不断改变参数的值，多次进行优化，直至得到跟所需要的优化结果最接近的数据为止。将接近数据的优化结果进行保存。如图4522所示图4521优化过程陕西理工学院毕业设计报告第26页共30页图4522优化后的原理电路图对优化结果形成的原理电路图进行仿真得插入损耗S（21）特性曲线和回波损耗S（11）特性曲线图4522优化结果仿真图由图4521可以看出优化之后在S（21）的特性曲线中M3在9125MHZ时的衰减为62255DB，M4在9775MHZ时衰减为60876DB满足了设计指标中在距离中心频率945MHZ325MHZ处衰减大于60DB的设计指标要求，通频带内的插入损耗为1936DB，M1和M2分别为上下通频带分别为9335MHZ和957MHZ,带宽为235MHZ,中心频率为9449MHZ基本接近设计指标中的24MHZ；S（11）中M6表示通带内最大输入回波损耗为31945MHZ虽然没能达到优化目标大于30DB但比之前已经有所增大，使得滤波器的性能更好。各项仿真数据表明，优化后的结果比优化之前的数据有所提高，说明优化成功设计方法正确。46版图生成一般使用电路板上的微带电路实现微带抽头线发夹型带通滤波器，这可能与原理图仿真的结果有很大差别，因此需要在ADS中对版图进行进一步的仿真之后才能进行电路板的制作。版图的仿真是采用矩量法直进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但是它的计算比较复杂，需要较长的时间，以此对原理图的设计进行验证。陕西理工学院毕业设计报告第27页共30页生成版图的步骤如下（1）选择菜单中的SIMULATEUPDATEOPTIMIZATIONVALUES,保存原理图优化后的结果。（2）去掉原理图中的两个TERM、“接地”以及优化控件。（3）选择菜单中的LAYOUTGENERATE/UPDATELAYOUT命令，弹出一个设置窗口，如图461，可进行起始元器件设置。这里应用它的默认设置，直接点击OK。这时弹出“STATUSOFLAYOUTGENERATION”窗口，其内容包括生成版图中包含原理图中有效的原件数目等信息，如图462，确认其内容与原理图相同后单击OK，完成版图的生成。图461版图生成设置对话框图462版图生成状态对话框（4）完成版图生成后，系统将打开一个版图