射频集总参数滤波器的仿真要点

实验3集总参数滤波器的仿真实验目的：掌握利用ADS仿真滤波器电路的方法，理解有关电路与设计原理。实验原理：滤波器是一个二端口网络，在设计射频系统时通常会加入滤波器，滤波器可以非常精确地实现预定的频率特性。滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器四种基本类型。滤波器常用插入损耗作为考察滤波器的指标，插入损耗可以选特定的函数，随所需的响应而定，常用的有通带内最平坦、通带内有等幅波纹起伏、通带和阻带内都有等幅波纹起伏和通带内有线性相位等响应，对应上述响应的滤波器称为巴特沃兹滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器和线性相位滤波器等。归一化低通滤波器是设计滤波器的基础，低通、高通、带通、带阻滤波器以及分布参数元器件滤波器，可以根据归一化低通滤波器变换而来。图3.1是归一化低通滤波器的两种基本结构。低通滤波器由N个元器件构成，各元器件的取值依滤波器响应的不同而不同。实际滤波器N的取值不会太大，通常取N=1至N=10，N值越大，阻带内衰减随着频率增大的越快。设计低通滤波器时，对阻带内的衰减有数值上的要求，由此可以计算出N值。图3.1归一化低通滤波器的基本结构通过阻抗变换和频率变换两个过程可以由归一化低通滤波器得到实际的滤波器。实验内容：1．设计如下指标的集总参数低通滤波器：通带频率范围为0～0.1GHz。滤波器响应为切比雪夫Chebyshev。通带内波纹为0.5dB。在0.2GHz时衰减大于40dB。特性阻抗选为50Ω。实验步骤：1．创建项目下面将创建一个集总参数滤波器项目，本章所有的设计都将保存在这个项目之中。创建项目的步骤如下。（1）启动ADS软件，弹出主视窗。（2）选择主视窗中【File】菜单→【NewProject】，弹出【NewProject】对话框，在【NewProject】对话框中，输入项目名称和这个项目默认的长度单位，这里项目名称定为LC_Filter，默认的长度单位选为millimeter。（3）【NewProject】对话框如图10.10所示，单击【NewProject】对话框中的【OK】按钮，完成创建项目，同时一个未命名的原理图（untitled1）自动打开。2．创建原理图创建原理图的方法很多，这里在前面自动打开的原理图上将原理图命名，完成原理图的创建工作。创建原理图的步骤如下。（1）在未命名的原理图untitled1上，选择菜单【File】→【SaveDesign】，弹出【SaveDesignAs】对话框。（2）在【SaveDesignAs】对话框中，输入文件名"Filter_Lowpass1"，然后单击"保存"，将原理图命名为Filter_Lowpass1。3．利用设计向导生成集总参数低通滤波器原理图（1）在原理图Filter_Lowpass1中，选择【DesignGuide】菜单→【Filter】，弹出【Filter】对话框，在对话框中选择【FilterControlWindow】项。【Filter】对话框如图10.11所示。图10.10创建集总参数滤波器项目图10.11Filter设计向导对话框（2）单击【Filter】对话框中的【OK】按钮，关闭【Filter】对话框，同时将弹出滤波器设计向导初始窗口【FilterDesignGuide】，如图10.12所示。图10.18带有负载终端的低通滤波器原理图图10.19用于仿真的集总参数低通滤波器原理图（6）现在可以对图10.19所示的原理图仿真了。在原理图工具栏中单击按钮，运行仿真，仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。（7）数据显示视窗的初始状态没有任何数据显示，用户自己选择需要显示的数据和数据显示的方式，这里选择的步骤如下。在数据显示视窗中，单击数据显示方式面板中的矩形图标，插入到数据显示区。选择矩形图的横轴为频率，纵轴为用分贝（dB）表示的S21。在S21曲线上插入三个Marker，S21曲线如图10.20所示，S21表示信号由端口1到端口2的正向传输系数。图10.20低通滤波器数据显示单击工具栏中的按钮，保存数据。（8）由图10.20可以看出，S21曲线在30MHz、100MHz和200MHz处的值如下。在30MHz处，S21的值为?0.499dB。在100MHz处，S21的值为?0.500dB。在200MHz处，S21的值为?42.039dB。图中的参数满足指标要求。由上节ADS的设计向导，我们得到了集总参数低通滤波器原理图的基本结构,本节学习如何实现集总参数低通滤波器的原理图。实际的集总参数低通滤波器，集总参数元器件之间需要有传输线连接，由于分布参数的影响，传输线会对滤波器的技术指标有影响，因此需要考虑加入传输线后滤波器的设计情况。集总参数低通滤波器的设计指标如下。设计集总参数低通滤波器。通带频率范围为0.1GHz内。通带内衰减小于0.6dB。在0.2GHz时衰减大于40dB。特性阻抗为50Ω。微带线基板的厚度为1mm，基板的相对介电常数为4.2。连接集总参数元器件的微带线，长选为2.5mm，宽选为1.5mm。1．创建新设计创建一个新设计Filter_Lowpass2，这个设计依旧保存在LC_Filter项目之中。创建新设计的步骤如下。（1）选择主视窗中【View】菜单→【StartupDirectory】，然后在主视窗中的文件浏览区选择LC_Filter_prj，双击进入LC_Filter项目。（2）在主视窗中选择【File】菜单→【NewDesign】，弹出【NewDesign】对话框，在【NewDesign】对话框中，输入新建的设计名称Filter_Lowpass2，并选择对话框中【CreateNewDesignin】项中的NewSchematicWindow（新建原理图视窗），以及选择【SchematicDesignTemplates】（原理图设计模板）项中的none，然后单击【OK】按钮，新建的原理图Filter_Lowpass2自动打开。2．设计原理图在Filter_Lowpass2原理图上，根据图10.17搭建低通滤波器原理图电路。由于低通滤波器在微带线上搭建，电感和电容元器件之间需要有一定的间距，因此电感和电容之间需要由微带线连接。（1）设置微带线参数在原理图的元器件面板列表上，选择微带线【TLines-Microstrip】，元器件面板上出现与微带线对应的元器件图标，如图10.21所示。在图10.21所示的微带线元器件面板上，选择MSUB插入到原理图的画图区。在画图区中，双击MSub，弹出【MicrostripSubstrate】设置对话框，在【MicrostripSubstrate】设置对话框中，对微带线参数设置如下。H=1mm，表示微带线基板的厚度为1mm。Er=4.2，表示微带线基板的相对介电常数为4.2。Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。Cond=4.1E+7，表示微带线导体的电导率为4.1E+7。Hu=1.0e+033mm，表示微带线的封装高度为1.0e+033mm。T=0.05mm，表示微带线的导体层厚度为0.05mm。TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为0.0003。Rough=0mm，表示微带线表面粗糙度为0mm。完成设置的微带线MSUB控件如图10.22所示。图10.21微带线元器件面板图10.22微带线参数设置（2）在图10.21所示的微带线元器件面板上，选择MTEE插入到原理图的画图区，MTEE是微带线的T形结，可以将电路由一路分为两路，T形结的宽度分别用W1、W2和W3表示。双击画图区的MTEE，在弹出的设置窗口中设置W1=1.5mm、W2=1.5mm和W3=1.5mm。（3）在微带线元器件面板上选择MLIN，3次插入到原理图的画图区，MLIN是一段长度的微带线，可以设置这段微带线的宽度W和长度L。分别双击画图区的3个MLIN，将它们的数值都设置为W=1.5mm和L=2.5mm。（4）单击工具栏中的按钮，将前面的1个MTEE和3个MLIN连接起来，连接方式如图10.23所示。（5）在原理图的元器件面板列表上，选择集总参数元器件【Lumped-Components】，元器件面板上出现与集总参数元器件对应的元器件图标，如图10.24所示。图10.231个MTEE和3个MLIN连接图10.24集总参数元器件面板（6）在图10.24所示的集总参数元器件面板上，分别选择电感L和电容C插入到原理图的画图区。分别双击画图区的电感L和电容C，打开电感L和电容C的设置对话框，将电感L和电容C的数值分别设置为L=97.849nH和C=54.298pF。（7）在微带线元器件面板上选择MLIN，插入到原理图的画图区，将它的数值设置为W=1.5mm和L=2.5mm。单击工具栏中的按钮，将该MLIN接地。（8）将电感和电容与微带线连接起来，连接方式如图10.25所示。低通滤波器由5个元器件构成，图10.25为5元器件滤波器中的2元器件连接图。图10.255元器件滤波器中的2元器件连接图（9）用与上面相同的方法，将低通滤波器的其余3个元器件插入到画图区，并同样采用微带线的T形结和微带线MLIN连接电感和电容，5个元器件的低通滤波器如图10.26所示。图10.265元器件低通滤波器在图10.26中，所有电感和电容的取值如下。C1=54.298pFL1=97.849nHC2=80.879pFL2=97.849nHC3=54.298pF在图10.26中，所有T形结MTEE的设置如下。W1=1.5mmW2=1.5mmW3=1.5mm在图10.26中，所有微带线MLIN的设置如下。W=1.5mmL=2.5mm（10）选择S参数仿真元器件面板，在元器件面板上选择负载终端Term，两次插入到原理图中，定义负载终端Term1为输入端口，负载终端Term2为输出端口。在原理图工具栏中单击按钮，将地线（GROUND）两次插入原理图，让负载终端Term接地。（11）单击工具栏中的按钮，将原理图中的负载终端Term和低通滤波器连接起来，连接方式如图10.27所示。3．原理图仿真与调谐在仿真之前，首先设置S参数仿真控件SP，SP对原理图中的仿真参量给出取值范围，当S参数仿真控件SP确定后，就可以仿真了。图10.27带有终端负载的低通滤波器原理图（1）在S参数仿真元器件面板上，选择S参数仿真控件SP，插入到原理图的画图区，对S参数仿真控件SP设置如下。频率扫描类型选为线性Linear。频率扫描的起始值设为0MHz。频率扫描的终止值设为300MHz。频率扫描的步长设为10MHz。其余的参数保持默认状态。单击S参数仿真控件设置窗口中的【OK】按钮，完成对S参数仿真控件的设置，S参数仿真控件SP如图10.28所示。图10.28S参数仿真控件（2）现在可以对原理图仿真了。在原理图工具栏中单击按钮，运行仿真，仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。（3）数据显示视窗的初始状态没有任何数据显示，用户自己选择需要显示的数据和数据显示的方式，这里选择的步骤如下。在数据显示视窗中，单击数据显示方式面板中的矩形图标，插入到数据显示区。选择矩形图的横轴为频率，纵轴为用分贝（dB）表示的S21。在S21曲线上插入三个Marker，S21曲线如图10.29所示。在30MHz处，S21的值为?0.492dB。在100MHz处，S21的值为?1.876dB。在200MHz处，S21的值为?47.524dB。比较图10.29与图10.20可以看出，在原理图中添加微带线后，S21曲线发生变化，这是由于微带线产生了相移和衰减，但由于低通滤波器的通带频率较低，S21曲线变化不大。单击工具栏中的按钮，保存数据。（4）图10.29与图10.20的曲线有差异，图10.20的曲线在100MHz时不满足技术指标，需要调整原理图。下面采用调谐来改变电感和电容的取值，以期达到合格的曲线。按下键盘中的Shift键，同时用鼠标分别选中原理图中的电感L1、电容C2和电感L2，然后释放shift键，这时原理图中的电感L1、电容C2和电感L2颜色发生改变，如图10.30所示。图10.29低通滤波器数据显示图10.30在原理图中选中电感L1、电容C2和电感L2（5）单击工具栏中的按钮，对电路调谐进行设置并调谐。单击按钮后，同时弹出三个窗口，这三个窗口分别是参数调谐窗口【TuneParameters】、仿真状态窗口和数据显示窗口，其中数据显示窗口与图10.29完全一样，这是因为原理图中的两个电感和一个电容还都是初始值，没有被调谐。参数调谐窗口如图10.31所示。（6）在图10.31所示的参数调谐窗口，保持默认设置状态，然后单击原理图中的电感L1，弹出【InstanceTuneParameters】窗口，在该窗口中选中L，如图10.32所示。（7）单击【InstanceTuneParameters】窗口中的【OK】按钮，关闭该窗口，同时调谐窗口TuneParameters中出现电感L1的调谐范围，调谐的各参数含义如下。Value值。该值开始时是原理图中电感的初始值，当调谐开始后，为电感调谐后的值。Max值。该值是电感调谐的最大值。Min值。该值是电感调谐的最小值。图10.31调谐窗口的初始状态图10.32调谐元器件选择窗口Step值。该值是电感调谐的间隔。上述参数中，Max、Min和Step值可以更改范围。（8）用同样的方法，让电感L2和电容C2的调谐范围也出现在调谐窗口【TuneParameters】中，也就是说电感L1、电容C2和电感L2三个元器件都将调谐