微带带通滤波器的设计和实现电子信息工程毕业设计论文

1、本科毕业论文（设计）题目微带带通滤波器的设计和实现姓 名： 许小晶学号： 20081004182院（系）: 机械与电子信息学院 专业:电子信息工程指导教师：严彬职称：讲师评阅人：殷蔚明职称：副教授2012 年 _6_ 月本科生毕业论文（设计）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确 标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得中国 地质大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业论文作

2、者（签字）：签字日期：2012年 月 日近几年随着商用无线通信的迅猛发展，射频/微波电路越来越得到重视和发展。微带带 通滤波器作为微波器件的一种也得到了大力的发展，尤其是在接收机前端。带通滤波器即 BPF(ba nd-pass filter )是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备，一个 理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带，另外，通带外的转换在极小的频率 范围完成。带通滤波器在无线通讯、图像处理和遥控遥感等各方面得到重要应用。因此， 发展高性能，研究小型化的带通滤波器是当前非常受关注的课题。本文首先介绍了微波滤波器的应用和当前的研究情况。然后介绍了滤波器的理论基础 和重要参数。

3、最后该论文基于仿真软件 ADS和公式的基础上，介绍了微带线带通滤波器的 设计方法，同时借助ADS软件对所设计的微带线滤波器进行了仿真和优化，最终得到比较 理想的微带线滤波器。在进行原理图设计、仿真和优化的过程中，重点内容是原理图的绘 制和S参数的优化。在已知公式和表格的基础上，能够计算出滤波器的各种参数，禾U用这 些参数能够绘制原理图；S参数的优化主要是优化范围的修改和一个不断重复的过程。本 次设计所完成的滤波器如下：通带1.9 2.0 GHz带内衰减小于2dB,起伏小于1dB, 1.7GHz 以下及2.2GHz以上衰减大于40dB试验结果表明，基于微波仿真软件ADS勺微带线带通滤波器能够顺利

4、实现，并且重要 参数能够较好的控制在所要求的范围内。关键词：微带线微带带通滤波器仿真软件ADSAbstractIn recent years, along with the high developme nt of wireless com muni cati on in bus in ess. Microwave RF circuithas bee n attracted more andmore atte nti on andalso got many achieveme nts. At the same time, as one of the importa nt microwave c

5、omponents, the microstrip band-pass filters also developed rapidly in recent years. Especially, the microwave BPFdirectly in flue nces the Performa nces of the receivers. Ban d-pass filter n amely BPF(ba nd-pass filter) is a device which allow specific frequency range and shield other range. A ideal

6、 band-pass filter has a completely flat passba nd and the tran siti on should be in a infin itesimal freque ncy ran ge. Ban d-pass filter get a wide range of applicatio ns in many direct ions such as wireless com muni cati on, image process ing and remote sensing. An So, develop high Performa nee, s

7、tudy mini aturized microwave filter is a hot topic in no wadays.At first, this paper introduces the application of microwave filters,and thecurre nt state of study ing the filters. Then in troduces the theory basis and important parameter. With the software ADS and the formula, this paper also well

8、design a microstrip band-pass filter. At the same time also do the simulation and opti min ati on with the help of ADS. Fin ally we get a relatively ideal microstrip filter. In the process of designingthe schematic diagram, simulating andoptimizing, the point is to draw the elementary diagram and op

9、timize parameter S. Based on the formula and diagram known, we can calculate all the parameters of the filter. With that, we can draw the schematic diagram. The optimiz ing of the parameter S mainly includes the modification of the optimization s sphere and its repetition. The filters this design co

10、ntains are as follows: Pass band 1.9-2.0GHz, in the belt weakensis smaller than 2dB, the fluctuationis smaller than below above1dB, 1.7GHz and 2.2GHz weake ns is bigger than 40dB.The experime ntal shows that microstrip ban d-pass filter based on microwave circuit simulatio n software ADS is effectiv

11、e, and the importa nt parameter can be con trolled in the required limits.Keywords: microstrip, microstrip ban d-pass filter, ADS TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第1章引言 1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.1 课题背景和意义 1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.2 微带滤波器国内

12、外研究情况 2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第2章带通滤波器设计理论 4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.1 滤波器的分类 4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.2 带通滤波器的主要参数 4 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2.3带通滤波器的设计原型 5 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 2.4 原型滤波器的元件值的归一化及其计算

13、 7 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 2.5微带线 8 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 第3章带通滤波器的重要指标及优化原则 9 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 3.1奇模和偶模特征阻抗 9 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 3.2S 参数 10 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 3.3ADS介绍及优化原则 12 HYPERLINK l bo

14、okmark86 o Current Document 第4章 带通滤波器的设计与优化 13 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 4.1设计指标 14 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 4.2原理图设计 14 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 4.2.1低通滤波器原型的参数的计算 14 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 4.2.2奇模和偶模特性阻抗的计算 16 HYPERLINK l bookma

15、rk118 o Current Document 4.2.3微带线尺寸的计算 16 HYPERLINK l bookmark126 o Current Document 4.2.4原理图的绘制 18 HYPERLINK l bookmark128 o Current Document 4.3原理图仿真及优化 19 HYPERLINK l bookmark162 o Current Document 4.4版图仿真 25 HYPERLINK l bookmark168 o Current Document 4.5后期需要改进的地方 27结束语 29 HYPERLINK l bookmark172

16、 o Current Document 参考文献 31中国地质大学(武汉)学士学位论文 中国地质大学(武汉)学士学位论文 第1章引言 1.1课题背景和意义科学技术的发展使得人类社会进入了信息时代，信息时代的主要标志之一就是信息的 快速广泛的传递。信息传递必须通过两种方式：有线传输方式和无线传输方式。目前的固 定电话、有线电视、有线互联网络都属于有线传输。移动通信、卫星通信属于无线通信。 随着科学技术的进一步发展，人类对通信的需求越来越高，无线通信技术将发挥越来越重 要的作用。图1-1是一种典型的移动电话射频电路方框图，图中的虚线部分表示在该无线 通信设备中的滤波元件。从图中可以看出，信号的接收

17、和发射都离不开滤波器，它们的尺 寸以及工作性能直接影响整个无线通信设备的体积以及工作性能。I图1-1 一种典型的移动电话射频方框图无线通信技术和集成电路技术的迅猛发展，对无线通信电子设备提出了更高的要求， 集成化、小型化、高可靠性已经成为无线通信系统发展的必然趋势，这就要求电路在满足 电气性能的同时，尽可能减少电路占用空间1。为适应这一发展趋势，近年来出现了多芯 片组件(MCM)、片上系统(SOC)、封装系统(SOP)等新的封装形式。这些新的封装形式，通 过将不同信号的集成电路高密度地混合集成在一起，能够有效地减小系统的体积，从而实 现了无线通信系统的小型化。目前，随着半导体技术的发展，无线通

18、信系统中的有源电路 已经实现了微型化并且能够有效地采用现代封装技术进行集成。而系统中的天线、滤波器、 耦合器等无源电路尽管可以在一定程度上集成在现代封装系统中，但是，由于其工作性能 的特殊要求及其特定的工作原理，还不能从设计上完全实现小型化，仍然面临着小型化、 高性能化的关键技术难题。采用传统方法设计的滤波器尺寸一般比较大，在工作性能上也 存在着一定的局限性，往往不能够满足现代无线通信系统的要求，急需从小型化和高性能 设计两个方面进行改进。目前，国内外针对这一研究热点进行了广泛的研究，提出了一些 新的设计方法，并且取得了一定的成效。从设计上实现滤波器小型化，不仅可以减小滤波 器自身的尺寸面积，

19、而且更加有利于系统的封装集成，进一步实现无线通信系统的小型化。 因此，性能优良、高集成度的微波滤波器研究成为现代无线通信系统研究中一个十分关键 的工作。微带滤波器因为重量轻、体积小、制造成本低且易于与其他微波电路集成等优点 而广泛应用在无线通信系统中2。 1.2微带滤波器国内外研究情况移动通信产业惊人的成长速度超出了人们的想象，促进了滤波器的飞速发展，特别是 固态化滤波器的发展，如晶体滤波器、陶瓷滤波器、SAW滤波器、介质滤波器等。市场需 求的巨大动力促使各类滤波器不断扬长避短、改进提高，在很大程度上已突破了早期的多 种性能、功能或成本局限。近年来，薄膜声学体波共振技术(FBAR给射频前端滤波

20、器小型化和集成化带来一线 曙光。当然，许多问题涉及工艺控制与封装过程，有待解决。典型的FBAR测试结果显示， FBAF技术带来的高Q值和高耦合系数可与高级的陶瓷的和声表面波振子相媲美，目前达到 的Q值己超过1000，与基于陶瓷的产品相比，FBAR技术在小型化方面占有绝对的优势， 可实现体积小于目前基于陶瓷产品10%勺产品。FBAR的电特性己经达到目前CDMA和PCS 陶瓷双工器的性能标准。为了减小体积，村田公司开发出MB型片式介质滤波器，它是由2-3个同轴谐振器整块连体构成，而无需电路基板、耦合器、外罩等。PHS900用最小的2级带通滤波器仅3.8 X 4.3 X 2.0( mm )，而相对应

21、的2级耦合型介质滤波器只能达7.0 X 8.0 X 3.7( mm )。西门子公司研制的3级整块联体型片式介质滤波器，尺寸规格仅8.8 X 7.45 X 2.75( mn) 5.75 X 4.0 X 2.95( mn)，适用于 ISM915GPS1500、PCN PCS1800、 PHS1900O W-LAN2450的最小型仅为3.25 X 5.0 X 1.9( mm )。1990年日本住友公司提出 低温共烧多层介质平面型滤波器的构想。此后，松下、日本、飞利浦、双信、NGK、JTI等 公司先后开发出适合于表面贴装的同类新产品3。随着信息化浪潮的推进，现代社会产生了巨大的信息要求，通信技术正在向

22、高速、多 频段、大容量方向发展。目前移动通信中所使用的主要频率为 0.8 1.0 GHz全球GSM频 段分为4段，即850/900/1800/1900MHZ在宽带移动化方面，IEEE802工作组先后制定了 WLAN和WiMAX?技术规范，希望能沿着固定、游牧/便携、移动这样的演进路线逐步实现 宽带移动化，常用的WLANI信频段标准为IEEE 802.11b/g(2.4-2.5GHz) 和IEEE802.11a(5.2-5.8GHz)。为了在移动环境下实现宽带数据传输，IEEE 802.16WiMAX成了宽 带移动的重要里程碑，促进了移动宽带的演进和发展,2.3-2.4GHz和3.4-3.6GH

23、Z频段均被 划分为Wi MAX的全球性统一无线电频段4。这正是S波段的应用，因此如何研究出高性 能，小型化的滤波器是目前电路设计的关键环节之一。我国移动通信发展迅速，一方面用户数量不断增长，另一方面用户要求的业务种类也 不断的增加，从话音业务到短消息和数据业务，以及将来的移动多媒体业务。由于用户超 常规发展。现在移动通信系统从GSM到GPRS直至CDMA频率从原来的几百赫兹到了现 在的9OOMHz 1.8 GHz、2.4GHz、5.8GHz甚至更高。与此同时对于器件的小型化和高 #中国地质大学（武汉）学士学位论文性能的要求也在不断提高。在微波波段，滤波器由于其具有小型化、易集成、设计灵活等 优

24、点而越来越受到重视。制作的微带滤波器的插损小、带边陡峭度高、带外抑制大、具有 高灵敏度和高选择性，在移动通信领域具有广阔的应用前景。为了在移动设备等器件上获 得更广泛的应用，器件小型化已经是非常重要的要求，在应用新型材料制作的同时，我们 也利用了微波技术的各种理论通过都对微带滤波器的结构进行优化设计。例如多模微带滤 波器，类交趾滤波器等。在设计中，可以采用多个相互耦合的微带线以提高滤波器的耦合 度，降低滤波器的面积，同时，从微带线的等效分布电感、电容出发，结合模拟和试验结 果，提出滤波器的等效LC电路，分析结构参数，从而减小滤波器的尺寸5。中国地质大学(武汉)学士学位论文 中国地质大学(武汉)

25、学士学位论文 第2章带通滤波器设计理论论文研究的是使用ADS软件设计微带带通滤波器的解决方案，而带通滤波器是以低通滤波器为原型设计的。当平行耦合微带线长度为一时，有带通滤波器的特性，但其不能4提供陡峭的通带到阻带过渡，如果将多个耦合微带线单元级联，级联后的网络可以具有良 好的滤波特性。 2.1滤波器的分类最普通的滤波器有低通、高通、带通、带阻衰减特性(如图 2-1所示)。图2-1四个普通滤波器的特性曲线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

26、面波滤波器，等等6。 2.2带通滤波器的主要参数绝对衰减(Absolute attenuation):阻带中最大衰减(dB)带宽(Bandwidth):通带的 3dB带宽(flow fhigh )中心频率：fc或fo截止频率：下降沿3dB点频率每倍频程衰减(dB/Octave):离开截止频率一个倍频程衰减(dB)微分时延(differential delay):两特定频率点群时延之差以ns计群时延(Group delay):任何离散信号经过滤波器的时延(ns)插入损耗(in sertionloss):当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减，dB带内波纹(passband ripple):在

27、通带内幅度波动，以dB计相移(phase shift):当信号经过滤波器引起的相移品质因数Q(quality factor) :中心频率与3dB带宽之比反射损耗(Return loss)形状系数(shape factor):定义为 BW 60dB点BW(3dB 点)止带(stop band或reject band)：对于低通、高通、带通滤波器，指衰减到指定 点(如60dB点)的带宽7。 2.3带通滤波器的设计原型低通滤波器是带通滤波器的特例，可作为带通滤波器设计基础。两种常见的低通滤波 器原型：(1)平坦低通滤波器特性曲线(如图2-2所示):数学表示式如(2-1)-La(灼)=10lg 1(2

28、-1)(2-1 )中:满足关系式(2-2):10lg ； 1 二 L&(2-2)N对应于电路所需级数。特点： = 0处(2n-1)阶的导数=0-1定义为衰减3dB的频带边缘点 切比雪夫低通滤波器特性曲线(如图2-3所示):图2-3切比雪夫低通滤波器特性曲线 数学表示式如(2-3)、(2-4)：La( )=10lg1 +“ ncosLa)=10lg1 +却仁；1(2-3),(2-4)中；满足关系式(2-5):10lg ； 1 二 LAr(2-3)(2-4)(2-5)n仍旧是电路里电抗元件的数目。 特点：带内衰减呈波纹特性LAr定义为等波纹频带的边缘频率。最大平坦衰减特性曲线与切比雪夫特性曲线比较

29、可以看出:1、若通带内允许的衰减量LAr和电抗元件的数目n为一定，则切比雪夫滤波器的截止速率更快8。因为其截止陡削，所以常常宁可选择切比雪夫特性曲线而不取其他的特性曲 线。2、假如滤波器中的电抗元件的损耗较大，那么无论那种滤波器的通带响应的形状与无 耗时的比较，都将发生变化，而在切比雪夫滤波器中这种影响尤其严重。3、理论证明了最大平坦滤波器的延迟畸变要比切比雪夫滤波器小。 2.4原型滤波器的元件值的归一化及其计算目的：提高设计通用性归一化定义：go = Ro = 1 或 go = Go = 1对于两端带有电阻终端的最大平坦滤波器，给定 LAr = 3dB、g0= 1和-= 1，则其原型元件值可

30、以按下式计算：gA =2sin 2k 1, k=1,2,n(2-6)-2ngo =仁 gm =1对于两端具有电阻终端的切比雪夫滤波器，当其通带波纹为 LArdB、g0 = 1和=它的原型元件值可按以下各式计算：R (LAr、(2-7)(2-8)B =ln cothj、13.37 丿rp、 Y = sinh l2n丿ak 二 sin 2k，, k=1,2,n(2-9)IL 2n站2*k兀)bk=Y +sin i, k=1,2,n(2-10)in(2-11)2a1g1-4ak 斗akibk7gk4k=2,3,(2-12) 中国地质大学（武汉）学士学位论文 当n为奇数时,gn=1(2-13)当n为偶

31、数时,(2-14)gn 丄二 coth2 2.5 微带线微带线是位于接地层上由电介质隔开的印制导线，它是一根带状导（信号线）9，与地 平面之间用一种电介质隔离开。印制导线的厚度、宽度、印制导线与地层的距离以及电介 质的介电常数决定了微带线的特性阻抗。如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是 可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的10。单位长度微带线的传输延迟时间，仅仅取 决于介电常数而与线的宽度或间隔无关带状线是介于两个接地层之间的印制导线，它是一 条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带线。它的特性阻抗和印制导线的宽度、厚度、 电介质的介电常数以及两个接层的距离有关11。如果线的厚度和宽度

32、、介质的介电常数以 及两层导电平面间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的。微带线特性阻抗如式（3-1）和模型（如图3-1所示）：(2-15)Zo=_87_in 旦.r 1.41 IL0.8w t丄心=!图2-4表层微带线模型其中Zo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，；是硬质电路板的相对介电常数 。与金属波导相比，微带线体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本 低等；但损耗稍大，功率容量小。60年代前期，由于微波低损耗介质材料和微波半导体器件的发展，形成了微波集成电路，使微带线得到广泛应用，相继出现了各种 类型的微带线。一般用薄膜工艺制造13。介质

33、基片选用介电常数高、微波损耗低的材料。导体应具有导电率高、稳定性好、与基片的粘附性强等特点。中国地质大学(武汉)学士学位论文第3章带通滤波器的重要指标及优化原 贝U在设计带通滤波器时，设计过程中的重要参数为奇模和偶模阻抗，这两个参数决定了微 带线的尺寸，进一步决定了滤波器的特性；体现滤波器特性的参数为 S参数，优化时的对 象即02,优化时改变的参数为微带线的尺寸，尺寸改变了 S参数就变化了。波形的仿真 及优化都是在ADS软件中进行的。 3.1奇模和偶模特征阻抗当多根传输线相互之间靠得很近的时候，传输线之间的电场和磁场将互相交互作用的 更为复杂,传输在线的信号切换(switching)状态决定了

34、以何种模式的传输，这种相互作用 的重要性在于会改变传输线有效的特性阻抗和传输速率14,特别是当很多非常靠近的传输 线同时切换,这种现象尤为严重，它会使总线出现特性阻抗和延迟时间产生变化,从而影响 总线的传输效能因此,在系统设计中必须考虑到这些方面的影响。当两根耦合的传输线相互之间的驱动信号振幅大小相同但相位相差180度的时候,就是一个奇模传输的模型。此情况下，传输线的等效电容增大，但是等效电感变小。当两根耦合的传输线相互之间的驱动信号振幅大小相同且相位也相同时，就是一个偶 模传输的模型。此情况下，传输线的等效电容减小，但是等效电感增大。奇模和偶模传输模型如下图所示：图3-1奇模和偶模模型图可以

35、将平行耦合微带线视为偶模激励和奇模激励的叠加，偶模和奇模有不同的特性阻 抗，偶模的特性阻抗为Zee,奇模特性阻抗为乙。奇偶模的特性阻抗与微带线的尺寸和材料有 关。 3.2 S参数网络理论是一种非常普遍的处理问题的方法，它把系统用一个由若干端口对外的未知 网络表示。微波网络理论是微波工程强有力的工具，主要研究微波网络各端口的物理量之 间的关系，实际的微波/射频滤波器也是用网络分析仪进行测量。微波网络分为线性与非线 性，有源与无源，有耗与无耗，互易与非互易。双口元件15是在微波工程中应用最多的一种元件，主要有滤波器、移相器、衰减器等。 与单口元件相似，双口元件一般采用网络理论进行分析，但是，值得指

36、出的是元件的网络 参数本身还是需要用场论方法求得，或者实际测量得到，从这个意义上讲，场论是问题的 内部本质，而网络则是问题的外部特性。几乎所有的微波元件都可以由一个网络来代替，并且可以用网络端口参考面上的变量 来描述其特性（在传输线上端口所在的位置，与能流方向垂直的横截面通常称为参考 面”）。选择参考面的原则是在该参考面以外的传输线上只传输主模。微波网络有不同的网络参量：阻抗参量 Z、导纳参量Y和A参量反映的是参考面上电 压与电流的关系；散射参量S、传输参量T反映的是参考面上归一化入射波电压和归一化 反射波电压之间的关系。在微波频率下，阻抗参量Z导纳参量Y和A参量不能直接测量, 所以引入散射参

37、量S和传输参量T。利用S参量，射频电路设计者可以在避开不现实的终 端条件以及避免造成待测器件损坏的前提下，用两端口网络的分析方法来确定几乎所有射 频器件的特征，故S参量是微波网络中应用最多的一种主要参量。UiIFIlaia21III;2端口U2图3-2二端口网络示意图S参量是根据某端口上接匹配负载的情况下所得到的归一化波来定义的。设 a表示第 n个端口的归一化入射波电压，b表示第n个端口的反射波归一化电压。所谓归一化波，就是各端口的波用其对应端口的参考阻抗进行归一化后得到的波，它 们与同端口的电压的关系为(3-1)中国地质大学（武汉）学士学位论文 (3-2)对于线性二端口网络（如图3-2所示）

38、，归一化入射波a和反射波b之间存在如下关系:R = Siai * 02比(3_3a)b2 - S2iai S22a2（3_3b）式（3-3 ）写成矩阵形式为b=Sa(3-4)SiS21S12S22(3-5)式（3-5）中的矩阵元素称为网络的散射参量，各项矩阵参量的物理意义为:Sibi ai a2卫表示端口 2匹配时，端口 1的反射系数;S22 =b2,/a2 a1 zQ表示端口 1匹配时，端口 2的反射系数；S12二bi；a2 a1=0表示端口 1匹配时，端口 2到端口 1的传输系数;S21 =d/ai aQ表示端口 2匹配时，端口 1到端口 2的传输系数;a=Q表示第i个端口接匹配负载，该端

39、口不存在反射波。 对Si的模取对数就可以得到以dB为单位的回波损耗16ReturnLoss(dB) - -20log Si(3-6)另外2端口的电压与信号源的电压有直接关系，所以Si可以用来表示网络的正向电压 增益：2Go = S21V2VI7 2(3-7)S参量是射频电路中最常用的参量，由于S参量很适合描述射频电路的相关性能参数, 因此在射频电路中有着十分广泛的作用，是本次设计所要求的重要指标。矩阵S称为二端口网络的散射矩阵或S矩阵，表示为中国地质大学(武汉)学士学位论文 3.3 ADS介绍及优化原则先进设计系统(Advaneed Design System)，简称 ADS是安捷伦科技有限公

40、司(Agile nt)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA软件。ADS电子设计自动化功能十分强大，包含时域电路仿真(SPICE-like Simulatio n)、频域电路仿真 (Harmo nic Bala nee、Lin ear An alysis)、三维电磁仿 真(EM Simulation)、通信系统仿真(Communication System Simulation)、数字信 号处理仿真设计(DSP; ADS支持射频和系统设计工程师开发所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天 /国防的集成 MMIC是当今国内各大学和研究所

41、使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件17。在进行优化时，本次主要针对的目标是S参数，S参数是入射波和反射波建立的一组现性关系，在微波电路中通常用来分析和描述网络的输入特性。S参数中的Sil,和S12反映了输入输出端的驻波特性，S21反映了电路的幅频和相频特性以及群时延特性，Si 2反映电路的隔离性能。第4章带通滤波器的设计与优化微带带通滤波器是一种被广泛研究的微波滤波器类型，它的品种繁多，性能各异，是 现代电子系统中的关键部件之一。微带线带通滤波器是一种分布参数滤波器，它是由微带 线或耦合微带线组成，具有体积小、重量轻、价格低、性能稳定可靠等优点，在微波工程 中的应用相当广泛。下面是

42、本人设计的滤波器的流程图：图4-1设计流程图L 表示微带线长，W表示线宽，S表示微带线导体带的间隔。中国地质大学(武汉)学士学位论文 4.1 设计指标通带1.9-2GHz,带内衰减小于2dB，起伏小于1dB。1.7GHz以下及2.2GHz以上衰减大于40dB。 4.2 原理图设计基板参数：H:基板厚度(0.8 mm)Er:基板相对介电常数(4.3)Mur:磁导率(1)Cond:金属电导率(5.88E+7)Hu:圭寸装高度(1.0e+33 mm)T:金属层厚度(0.03 mm)Ta nD损耗角正切(1e-4)Rou ngh表面粗糙度(0 mm)主要关注的技术指标：通带边界频率与通带内衰减、起伏；

43、阻带边界频率与阻带衰减。 这两项是描述衰减特性的，是滤波器的主要技术指标，决定了滤波器的性能和种类 (高通、 低通、带通、带阻等)。图4-1是一个微带带通滤波器及其等效电路，它由平行的耦合线节相连组成，并且是 左右对称的，每一个耦合线节长度约为四分之一波长(对中心频率而言)，构成谐振电路。I 尊效电路图4-2微带带通滤波器模型及其等效电路图在进行设计时，主要是以滤波器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21(S12)是传 输参数，滤波器通带、阻带的位置以及衰减、起伏全都表现在S21(S12)随频率变化曲线的 形状上。S11(S22)参数是输入、输出端口的反射系数，由它可以换算出输入、输出端的电

44、 压驻波比。如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，并且影响系统的前后级匹配，使 系统性能下降。4.2.1低通滤波器原型的参数的计算首先根据滤波器参数指标，计算出滤波器低通归一化频率中国地质大学（武汉）学士学位论文 中国地质大学（武汉）学士学位论文 二 4.72通带衰减为2分贝，故选用2dB波纹的切比雪夫低通滤波器原型，其阻带衰减特性图 如图4-2 :iff la-i I4ii i* * *iI I I I VI114 HfilRii -I ijiii i uri Hii 1袖2一”丨;x:間;:;:沛:” I4|!j filitHM1111 *! 章 iiqlihMiw*l詆裁謁 湍黑粘:逼

45、間脚汕;；Bife ftMCA I Ml IIIIIM IIHIbi Hi-fe MhllllM i lb IlfH ”卄-fciii !I il iHllN llwiMi Mill HjJi Nil HU i- _ _ -Ir i E W * flfH I ： EfjahI ,eJp igil HNiiiHii|iallI!F jAvi V Ilil*A!iiHiii.M iiI-Mr.* *1IMHrtl-BiiMl IBSiibhHhui -亠.4mI ns 畀円llFnJ4IIH , i!V lli.FFRTWjAiiMr i1 |iHJill irwl家冊WtliflilllHtil

46、feHltai* Elf|: ! tVVilllllllR*1“供 iF L- Bi(W-l!前Ml- - #Li-iriiwr观h： :mh- ittt iiviiim4- iiiMW hi- | .if/j门：M；时曲 if-/fl SUH AfeiiP .rildapiv 审If 儿 I咄曲 坤期工Mtihjii jittittair r 易 lEaiMIIM uEuirjsjn 鼬遇:腓止 M人皿n.jppxKinul|W* * -t r- HI M HI Mil BI r ” . - - - - -.“山卩“阳衍“如 w 时；-F * I:斗“时和nhniC” liNmiiiiiai

47、* tvf ft._T.TET_r_r_r._ 篩冒輙， p |f UM U* r-v Mil-* Mi dl s MUxp .in - lifi W 2 艮 inveiiviMliiiiMi I雄五號圧谢俪眺;:冊i ：l：H!：IX：X：t nl更直虽gjji為嗣游遢;：；订iii；诵顽E d 兰卑二*冷裁低ggjlMfrtb 申or tji.1工-利业”|1讣tit* iikfl卜 f|h i!U一 1ft Ml- .difll 辟:t: 忧时.l5fc篠% 1.1鼻押讣【lb - Ji lili|i|-Ell riWahFhaHBMII 4IF整排P遛區固册艦期KI祷St* - vli

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49、jifepf 4 r ul J4B HP ,ii *MilH4 hI!* i - L |l|lv #I4MI- - 1 I* .Ih aVbpi*Jlil jI=二二二二二HI I MH iH r in ! V . a I |141 -.！4I- i H I -n:H：曲:吧症a. ：.!：IHlUilia jflip WIHH riiil |MIIB.IIIlillhiN ifi I HIIIilV !( I MimWHiJ Al iplk 4MU4MII44H 4f | rite- t !：!M!：:,Irill* nil hH - NmN i :iiill- 4. t* 4* ih, -

50、 皇-7 )！ P j-lil- - h- fUll.i-liik k ill 卩 * * H -! ii，!*- fl*1 , + !*-iHil - H |y TE|R| tairii-1 i- II Ht rfHlili 1 |H h . *f.- rfltHr.Hti-谭詐i.W 山小 i * 申| 1卄肿I .4i|l-*. ,9 + ih .討卄卒申甘“H .-wMWia-aiiiikH prHn i bill it Im 1*1| i I I - (Al WHl *kHllIHIIiril *1 IIIMIPX13-rauKilLtihn撫鹉可诂炉!it n!料們!： !：Ilb

51、I PIBIIdMFHi|.| | liH*rrt.|L,HiiMii viiijniiRifiuMii n HiH削斛|i脚即b i iKMI II llllh IMi- Ifl I l-lWFFWMFM M1RHinHstsnwN-lhiWi HMIMUiii i|GOT 0 07 0 JO怡卜e.o图4-3 2dB波纹的切比雪夫低通滤波器的阻带衰减特性故可知滤波器级数N=3,同时切比雪夫滤波器元件参数表如图4-3 :Il.OOQQ2o.cols4.0M7J2JLA70.1327lP71O7仁owe42.7W50.IB06i.mi0tNl91.09573i.ajio0财0刚5a.eno1.

52、WM002.K21(lwhS44ti?0.944J 1ijiii飢X札刚F72.8655Jll?S.I7N0+刘,3.B7HOQ.V1WZ.K65SLORODfli.flzajf.aa0.560i3.7BS0.9fWQ+70J64.495793x57905外氛MM0.M4S0.MU17】2hft?90IhDOOQJO2.U11J,91210.96A7J.974J0,加D.MMJ.76190.70+0图4-4切比雪夫低通滤波器元件数值g0=g4=1.OOOO，可知具有带内波纹 2dB的3阶切比雪夫标准低通滤波器参数gi=g3=2.7107, g2=0.8327。4.2.2奇模和偶模特性阻抗的计算

53、首先由下列各式（4-1）、（4-2）、（4-3）计算出耦合间J变换的特性导纳Ji。(4-1)冗FBW2ggJiYodn FBW2、gigi iJnY/n FBW2gngn 1(4-2)(4-3)上式中ggign i是低通原型滤波器的归一化值。f2 f1FBV是带通滤波器的相对带宽，FBW21 , Ji是J变换的特性导纳，Y是输fo入输出微带线端的特性导纳。利用下面的公式（4-4）、（4-5）计算出奇偶模特性阻抗。Zoo |i=Z1-ZJi +（ZJi 厂（4-4）Ze|广 Z1 ZJi ZJi 21（4-5）表4-1各节奇偶特性阻抗数值第一节第二节第三节第四节偶模阻抗60.1 Q52.8 Q5

54、2.8 Q60.1 Q奇模阻抗42.9 Q47.5 Q47.5 Q42.9 Q4.2.3微带线尺寸的计算在微带带通滤波器中，也经常用半波长平行耦合谐振电路来级联形成带通滤波器。此种滤波器的结构形式使相邻的半波长谐振单元彼此平行排列，其耦合值的大小通过相邻平 行耦合线间的距离来决定。因而，这种结构形式的滤波器容易易用来制造带通滤波器 。ADS软件中的工具tools，可以对不同类型的传输线进行计算。对于平行耦合微带线来 说，可以进行物理尺寸和点参数之间的数值转换，若给定平行耦合微带线奇模和偶模的特 性阻抗，可以计算平行耦合微带线的导体带的宽度和间隔距离。根据所求得奇偶模特性阻抗利用ADS软件Lin

55、 ecalc来计算微带尺寸，将窗口里的参数 修改为所给定的基板参数，并注意长度单位为 mm同时修改Type为MCLIN以及中心频率 为1.95GHz运行中的窗口如图4-4所示：1* EimdHian 曲“晒乐p|&|ia|a|CoiAponert* mojn、D |mqjn mojh_default$ tintre Pne1 521 e1ST arS-P!.AMETtRSOlrFGOAL-MJSu&1-HwaiSmm .E4 3 .Mlt=1_匚&由吕匹7- HLFTte-033 rhm-1=0.00-fTTi”bn1 百. _ Rautfrf lYiffl j ,CLinrffl1l .ti

56、um=1ZChnn：SutKt=A1Su6l-CWmGD.l1 _.QpHrroat2 Of m.Ofiml * ciirTP-po=Ra：ndam UsHIQcah Ma-ilfers = 1SeL-rrertEPsrCs rMEFTtrwD.QM$ubW-wl血S=s1-inm gT pi thW11.B21 fflfflW2=w2 mmZHMCFL. CIjiJS=2 mm- LIQ miii .Wwu ffllffl Ww2ffiiinKI VSR1 - wt =i j &e&i 何 w2-1 597574.S1-QE3O7.H 信15&幅6何M3i 25B6WE*2D.MSCS学p世

57、副貿1占：. brrlrste nxNs mg= SP1“ MinWMdtf - - -. RscgMUh伽bl . R3rgB1in1*1.fiiGHz 皑aipslita屮旦bGHz amriSterclannSPI14Mn=Mawm 1 府 aigrt只mosWwIt誓T . RargoMr(1*1.B0GMz fiangehMlJl.fGl-iz l_H,MpFIL r ,CLin3SilteE-TbtSdbrT=w2 rrtm * S=fi2*nni .512 mm .,W1=w2叩阳 W2=w1 rnirri.QpbinGQBB 卑刃a奥邑莒匚,j Sissis ncgHBnSF

58、1Mh=14血411-內sigftw.-.RfnE/rP戸仙产.mga1iii12J2C3Hz虫aE/Lb产盘- FmsiAnaly96=eHon6f,- ,NonTisJi3BiSciils=rn- aSaBiyAJuM ByMSwd=SiwSciri5=ri EdwGodJs 呼Sa 阳DptimVsr 5his Upcsta贰SE 奇 SjwJoryinjiJwnDSa IRh&ralFB =nei UsfiAilQpiM&rii-fiB图4-12优化原理图如果一次优化不能满足设计指标要求，则需要改变变量的取值范围，进行重新优化，直到满足要求为止；在每次优化完成后，要在原理图窗口中保存优

59、化后的变量值。优化完成后必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。再次对优化后的微带原理电路进行仿真就可以得到比较满意的滤波器传输和反射曲线如图4-12及4-13所示: # 中国地质大学(武汉)学士学位论文mlfreq=1.900GHzd 6(5(1,2)1718opflterOm2 freq=2.000GHz dB(S(1.2)=*1.916 optl怕匸0m3freq=1.700GHz dB(S(1 2)49.120 optl 怕二 0m4 freq=2.200GHz dB(S(1,2)=-40.788 optlterOsESmp/ /m3/fneq GHz图4-13优化后s(1,2)仿真曲线

60、中国地质大学（武汉）学士学位论文 中国地质大学（武汉）学士学位论文 m5freq=1 990GHz dB(S(1,1)=14132 optner=0(二)smp弋：I I I 1 I I I I I | n I I I I I p I J-I I I I J n I I I | I I I I 161.7131.92.02.12.22.3fneq. GHz图4-14优化后s(1,1)仿真曲线可以从仿真信息窗口中得到符合要求的滤波器的各参数的确定值如图4-14所示:Itera t i on/Tri a1 #0:CurrentEF: 0Optijnizat ion variables :12 =