2023年ads滤波器仿真实验报告

一．滤波器的基本原理滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络,对通带内频率信号呈现匹配传输,对阻带频率信号失配而进行发射衰减,从而实现信号频谱过滤功能。典型的频率响应涉及低通、高通、带通和带阻特性。镜像参量法和插入损耗法是设计集总元件滤波器常用的方法。对于微波应用,这种设计通常必须变更到由传输线段组成的分布元件。Rｉchard变换和Kｕrｏdａ恒等关系提供了这个手段。在滤波器中，通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性，即LA=10lgPin滤波器低通原型为电感电容网络。其中,元件数和元件参数只与通带结束频率、衰减和阻带起始频率、衰减有关。设计中都采用表格而不用繁杂的计算公式。表1－１列出了巴特沃兹滤波器低通原型元件值。ng1g2g3ｇ４g5g6g7g８g9g10g１112121.4142１.4１４2３121１40.76541.847８1．8478０.7654150.6181．６１82１．61８０.618１60．517６１.4142１.93181.93181.4１4２0.517６170.44５0．2471.8０１9２1．８0191.24７0．４45180.3002１.11111．662９1．９６15１.96151．66291．111０.39０2190.34７311.５321１.87942１．8７９４1.532１１０.34７31表１-1巴特沃兹滤波器低通原型元器件值实际设计中，一方面需要拟定滤波器的阶数，这通常由滤波器阻带某一频率处给定的插入损耗制约。图1-1所示为最平坦滤波器原型衰减与归一化频率的关系曲线。图１.1最大平坦滤波器原型的衰减与归一化频率的关系曲线二、S参量的描述高频S参量和T参量用于表征射频/微波频段二端口网络(或N端口网络)的特性。基于波的概念,它们为在射频／微波频段分析、测试二端口网络,提供了完整的描述。由于电磁场方程和大多数微波网络和微波元件的线性,散射波的幅值(即反射波和透射波的幅值)是与入射波的幅值呈线性关系的。描述该线性关系的矩阵称为“散射矩阵”或S矩阵。低频网络参量(如Z、Ｙ矩阵等)是以各端口上的净(或总)电压和电流来定义的,而这些概念在射频/微波频段已不切实际,需重新寻找能描述波的叠加的参量来定义网络参量。为了表征一个在输入和输出端口具有相同特性阻抗Z0的二端口网络,考虑各端口上的入射波和反射波电压，如图1.2所示。图１.2各端口具有入射波和反射波的二端口网络为了准确地定义Ｓ参量，我们规定二端口网络(ｉ=1，2)各端口上的入射波电压相量和反射波电压相量分别为Vi+和Vi-，如图１-2所示。现在可定义用散射参量矩阵S来描述二端口网络各端口上的入射波电压相量矩阵Vi+与反射波电压及传输波电压相量矩阵Vi-之间的线性关系如下：V1－＝S１1V1++Ｓ１2V２+V2-=Ｓ２1Ｖ1+＋S22Ｖ2＋或以矩阵的形式写成(1．１)其中(1.2)这个线性关系可用两个复相量的比值来描述，其比值的幅值小于等于1。Ｓ矩阵中的各元素定义为当输出端口接匹配负载时的输入端电压反射系数当输出端口接匹配负载时的正向电压传输系数当输入端口接匹配负载时的反向电压传输系数当输入端口接匹配负载时的输出端电压反射系数上述定义的S参量用于射频／微波频段有许多优点，简述如下：(1)S参量给出了一个网络端口之外的完整特性描述。（２)S参量的描述没有使用在高屡屡段已失去意义的开路或短路（在低屡屡段所描述的)的概念。由于随频率变化的短路或开路的阻抗特性已不能用来描述射频/微波频段的器件特性。此外,电路中短路或开路情况的出现，将导致强烈的反射（由于＝1)，即引起振荡或晶体管元件的损坏。(3)Ｓ参量规定在端口使用匹配负载，因匹配负载可吸取所有的入射功率,从而消除了过强的能量反射对设备或信源损伤的也许性。三.Smith圆图反射系数的公式为(1.3)其中为归一化阻抗，为传输线的特性阻抗或某一参考阻抗。由式（1.3)可以通过数学方法获得Ｓｍｉth圆图,Ｓmｉth圆图实为无源电路(即Re(Ｚ）0）下的不同归一化电阻和电抗值所相应的反射系数的轨迹,其等电阻值的轨迹是一组圆心位于水平轴(实轴)上的圆，而等电抗值的轨迹是一组圆心位于偏离垂直轴（虚轴)一个单位的直线上的圆。（1．４）由式１.4Sｍiｔh圆图是由函数所描述的r和x在复平面上的轨迹。将分离为实部(Ｕ)和虚部（V），便可得(1.５）(1.6)(1.7)根据式(1.6)和(１．7)可以得到两组圆,当它们彼此重叠在一起时便构成了一张完整的Smｉth圆图。这两组图的描绘过程叙述如下：（1）．等ｒ圆:从式(1.6)和（1．7)中消去x后便可得第一个圆所满足的方程为（1.8）由方程(1.8）所描述的圆的圆心和半径分别为(1.9ａ)(1.9b)由式(1.9a)和式(1.9ｂ):所有等r圆的圆心都位于实轴上，且圆的半径随r的增大而减小。其中,r=0的圆即为Smiｔh圆图最外层的圆，而r=的圆缩为一点，位于（0,1)处。图1.3进一步描述了这个概念。(2）.等ｘ圆:从式(1.6）和式（1.7)中消去r后便可得到第二个圆所满足的方程为（1.10a)由方程(1.10a）所描述的圆的圆心和半径分别为（1.１0b）（１.1０c）从式（1.10a)中可以看出：所有等x圆的圆心都位于平行于虚轴并向右平移一个单位的直线上,且圆的半径随x的增大而缩小。其中,x=0的圆为Smith圆图的实轴，而x=的圆缩小为一点,位于(1，0）处。将方程(１．８)和（１.1０)所描述两组圆重叠在一起，便得到了由所有的(r，x)值所构成的一个圆图,这就是通常所称的Ｓmitｈ圆图,如图１.3所示。图1.3标准Ｓmｉth圆图的结构(ｒ０，)Smｉtｈ圆图上每一点处的归一化阻抗ZN(其中ｒ=Ｒe(ZＮ）０)与反射系数的值是一一相应的。圆图的上半平面相应于正电抗值(x＞0）的归一化区域，下半平面相应于负电抗值（x<0)归一化区域。注:Ｓmitｈ圆图也可合用于归一化导纳YＮ的描述：(１．11a)其中,为传输线的特性导纳或某一参考导纳。因此可将式(1.４)写成（1.11b)或改写成（1.1２）可见其形式与用阻抗描述时的一致，只是现将ＹN平面映射到平面内，其中（１．１３)式(1.13)说明与仅相位相差18０o而幅值相同，这意味着在批准圆图中进行导纳与阻抗的换算时，仅相称于将其相位调整1８0o。因此，Ｓmiｔh圆图既可用做阻抗圆图（Zｓmｉth圆图），也可用做导纳圆图(Ysmith圆图）。使用Smith圆图需要注意和理解下列相应关系:ﻩ Sｍith圆图的魅力就在于:通过上述变换可将一个半无限、无界的区域(,)映射到一个有界的工作区域()内，这将使我们能以图解的方式很容易地理解许多复杂微波问题四.实验目的设计参数指标：高频截止频率:2．4５GHz；通带内纹波系数小于2;4GＨz处的插入损耗大于２0dＢ；输入输出阻抗为５0Ω;使用FＲ４PＣＢ板。五.实验方案1.拟定低通滤波器类型、阶数和拓朴结构为了满足实验目的的规定，第一步选择低通滤波器的类型,在ADS软件中的DesｉgnGuidｅ中选择Fiｌter,点选S参数后连接仿真。点选FilterAsｓiｓtaｎt,输入实验目的的相关数据后，选择用椭圆滤波器类型，最低阶数可认为3阶。如下图1.４所示：图1．4完毕AＤS集总参数原理图仿真在滤波器原理图界面下,点选工具栏中的,进入到滤波器元器件的子电路,得到图1.５所示。图１．5３.完毕分布参数微带原理图仿真将滤波器元器件的子电路通过Ｒichards变换和Ｋuroda等效后，并且修改微带参数设立控件的相关参数,如下图1.6所示。图1．6（1).进行匹配微带线的计算,计算出50欧姆微带线的长和宽。（２).先将两端Pｏrt去掉，添加S参数仿真元器件，并设立图1．８(3).添加微带线，并将微带线的长和宽换为所计算的值,最后连接在一起。图1.９4.仿真（1）.进行电路原理图仿真和Ｋuｒoda等效后仿真图1.10图1.1１(３).微带线仿真图１.12从微带线仿真S1１图中可以观测到反射比较大，应当调谐，直到所有指标达成规定且反射比较小。(4).微带线调谐后的仿真图１.1４完毕分布参数版图生成与仿真(1）.版图生成图1.1５(2)．版图仿真图1.16观测仿真图像，符合实验指标规定。实物加工及测试做出的实物图如图1.１7所示。图1．1７用矢量网络分析仪测试的结果如下图1.18所示。图1.18七．实验心得通过这次低通滤波器的设计、调