微波滤波器的设计制作与调试

1、实验1微波滤波器的设计制作和调整，(1)实验目的是了解微波滤波器电路的原理和设计方法。 学习使用ADS软件进行微波电路的设计、优化和仿真。 掌握微带滤波器的制作和调试方法。 (2)实验内容采用ADS软件设计了微带带通滤波器，并对其参数进行了优化和仿真。 根据软件设计的结果制作电路图，并对电路板进行加工。 调整加工的电路，满足设计要求。 (3)微带滤波器的技术指标、通带边界频率和通带内衰减、起伏阻带边界频率和阻带衰减通带的输入电压驻波比通带内相移和群延迟寄生通带、(3)微带滤波器的技术指标(接下来)，上述两个指标描述了衰减特性，滤波器输入电压驻波比表示滤波器的反射损失的大小。 群延迟被定义为d/

2、df，其是网络相移随频率变化的速率。在群延迟为常数的情况下，信号即使通过网络，也不会发生相位失真。 寄生通带是由分布参数传输线的周期性频率特性引起的，在设计时，必须防止寄生通带出现在离设计通带一定距离处的通带内。 (4)ADS软件的使用，本节介绍了使用ads软件设计微带带通滤波器的方法：电路图绘制、电路参数优化、模拟、布局模拟等。 下面按顺序详细说明ADS软件的使用方法。 启动ADS软件，启动ADS，进入以下界面，创建新的项目文件，单击File-New Project，设置项目文件名(在本例中为Filter )和存储路径， 单击Length Unit将长度单位设置为毫米，创建新项目文件(续)，

3、然后在创建项目文件后，主窗口将更改为下图，在创建新项目文件(续)的同时进行电路图设计微带滤波器的设计、平行耦合线路带通滤波器的设计下图是由平行耦合线路节构成，左右对称，各耦合线路节的长度约为四分之一波长(相对于中心频率)构成谐振电路的微带带通滤波器及其等效电路。 以这种结构的滤波器为例，介绍了设计的过程。 等效电路、微带滤波器的设计(续)，设计指标：通带3.0-3.1GHz，带内衰减小于2dB，起伏小于1dB，2.8GHz以下和3.3GHz以上衰减大于40dB，端口反射系数小于-20dB。 在设计时，主要以滤波器的s参数为优化目标进行优化模拟。 S21(S12 )是传输参数，滤波器通带、阻带的

4、位置和衰减、起伏都出现在S21(S12 )的频率变化曲线的形状上。 S11(S22 )参数可利用输入输出端口的反射系数，然后换算输入输出侧的电压驻波比。 反射系数太大会增加反射损失，影响系统前后的完整性，降低系统性能。生成滤波器的电路图，在电路图设计窗口中选择微带电路的工具栏左侧的工具栏，如右图所示，在工具栏上点击连接线Mcfil。 在右侧的绘图区域上分别将选择微带线MLIN和控制MSUB放在绘图区域上，选择线工具连接电路，连接方式参照下一页图，生成滤波器的电路图(续)，并设定微带电路的基本参数。 在上页的图中5个Mcfil表示滤波器的5个耦合线节。2个MLIN在滤波器两端的引线双击图上的控件

5、MSUB中显示微带线的参数H:基板厚度(0.8 mm) Er:基板相对介电常数表示设定了Cond:金属导电率(5.88E 7) Hu:封装高度(1.0e 33 mm )的T:金属层厚度(0.03 mm) TanD:损耗角正切(1e-4) Roungh:表面粗糙度(0 mm )， 也可以设置微带电路的基本参数(续)，修改微带线的参数窗口(左图)，然后单击MSUB下方的字符直接修改(右图)，但请注意数字和单位之间有空格。 17、微带线计算工具滤波器两侧的导线是特性阻抗为50欧姆的微带线，其宽度w可以用微带线计算工具求出。 具体地说，点击菜单栏Tools - LineCalc - Start Lin

6、ecalc，就会出现新的窗口(下图)。 在窗口的Substrate Parameters列中，输入与MSUB相同的微带线参数。 将中心频率(在该示例中为3.05GHz )嵌入cpmp net参数中。 物理栏的w和l分别表示微带线的宽度和长度。 电子栏中的Z0和E_Eff分别表示微带线的特性阻抗和相位延迟。 点击Synthesize和Analyze栏的箭头，可以在w、l和Z0、E_Eff之间进行相互换算。 通过填补50 Ohm和90 deg，可以计算出微带线的线宽1.52 mm和长度13.63 mm (四分之一波长)。 微带线计算工具(续)、微带线计算工具(续)和单独的窗口打开，显示当前的计算状

7、态和错误信息。 设置微带设备的参数，双击两侧的引线TL1、TL2，将宽度和长度分别设置为1.52 mm和2.5 mm (但是，代码长度是暂定的，以后创建布局时也会修改)。 由于平行耦合线路滤波器的结构是对称的，所以5个耦合线路节中，1、5以及2、4节的微带线长度l、宽度w和狭缝s的尺寸相同。 因为连接线的这些参数是滤波器设计和优化的主要参数，所以用变量来替换，以便于以后修改和优化。 双击各连接线段来设定参数，并将w、s、l分别设定为对应的变量、单位mm。 其中W1和W2参数表示设备左右相邻的微带设备的线宽，用于确定设备之间的位置关系。 设定W1、W2时，为了在电路图中显示它们，请启用displ

8、eparametersonschematic的选项。结合线节参数设定窗口、设定微带元件参数后添加电路图、变量，点击工具栏的VAR图标，将变量控件VAR放置在电路图上，双击该图标弹出变量设定窗口在name栏中输入变量名称，在Variable Value栏中输入变量的初始值，点击Add添加变量，点击Optimization/Statistics Setup按钮设定变量的获取范围，Enabled/Disabled 耦合线节的长度l约为四分之一波长(从中心频率用微带线路计算工具计算)，微带线路和狭缝的宽度最窄，只能取0.2 mm (优选0.5 mm以上)。 在滤波器的两侧放置工具栏Term，用于在变量

9、设置窗口、s参数模拟电路设置、电路图设计窗口中选择s参数模拟，定义端口1和2，单击图标放置两个位置，并根据下图连接电路。 将s参数扫描控件放置在电路图中，并设置根据滤波器指标所确定的扫描频率范围和步长(包括通带和阻带在内的频率范围)。 s参数模拟电路设定(续)、优化目标的设定，在电路图设计窗口中将优化工具栏选择优化设定控件放置在电路图上，双击该控件来设定优化方法和优化次数。一般的优化方法是Random (随机)、Gradient (梯度)等。 随机方法通常用于广泛搜索，梯度规则用于局部收敛，优化目标设置(续)，选择优化目标控制目标并将其放置在电路图中，然后双击控件以设置参数。 Expr是优化的

10、目标名称。 db (s (2，1 ) )表示S21参数的值，以db为单位。 SimlnstanceName是模拟控件的名称。 这里选择SP1 Min和Max的是优化目标的最小值和最大值。 Weight是优化目标的权重。 RangeVar1是依赖于优化目标的变量，在这里设为频率freq。 RangeMin1和RangeMax1是上述变量的变化范围。 最佳化目标的设定(续)、最佳化目标的设定(续)，在此设定共计4个最佳化目标，前三个最佳化参数都是S21，设定滤波器的通带和阻带的频率范围和衰减情况(在此通带的衰减小于2 dB，阻带的衰减在40 dB以上最后一个优化参数为S11，设定通带内的反射系数(

11、此处要求小于-20 dB )。 具体数值请参照下图。 因为电路图模拟和实际状况有一些偏差，所以在设定优化参数时，可以适当地增加通带宽。 对于其他参数，可按照优化的结果进行一定的调整。 可以进行优化目标的设定(续)、参数优化，设定优化目标后，先保存电路图，然后再进行参数优化。 单击工具栏上的“Simulate”按钮开始优化模拟。 在优化过程中会打开一个显示优化结果的状态窗口(请参见下页图示)。 CurrentEF表示与优化目标的偏差，数值越小表示越接近优化目标，0表示达到优化目标，然后表示各优化变量的值，优化结束后将打开图表显示窗口。 完成一次优化后，单击“电路图”窗口菜单中的“simulate

12、-updationoptimizationvalues”以保存优化的变量值(VAR控件中显示变量的当前值)。 否则，优化后的值将无法保存。 进行参数优化(继续)，经过几次优化后，CurrentEf的值为0，优化结束。 优化过程中，可以根据情况适当地调整优化目标、优化变量的值范围、优化方法和次数。 必须观察模拟曲线，在优化完成后，关闭优化控制，观察模拟曲线. 点击电路图工具栏上的按钮，然后单击优化控件OPTIM，控件就会被关闭，并带有红色十字标记。 要重新打开控件，只需单击工具栏上的按钮，然后单击要打开的控件，控件上的红色叉子就消失，功能就会恢复。 关于电路图上的其他部件，在想关闭或打开的情况下

13、，可以采用同样的方法。 关闭优化控件后的电路图，观察模拟曲线，点击工具栏上的Simulate按钮进行模拟，模拟结束后显示图形显示窗口。 观察模拟曲线(续)，点击图形显示窗口左侧的工具栏上的按钮，将框放置在图形窗口上，则弹出设定窗口(参照下页图)，在窗口左侧的列表中s(1、 1 )也就是说，选择S11参数，点击Add按钮后，窗口设定单位会弹出(在此选择dB )，点击两次后，图形窗口会显示出根据S11的频率而变化的曲线。 用同样的方法依次加上s2、s21、s2的曲线，根据滤波器的对称结构，s1和s2、s2和s1和S2的曲线是相同的。 要正确读取曲线上的值，请单击菜单中的“Marker - New”

14、显示“Instert Marker”窗口，然后单击要添加Marker的曲线，在曲线上显示倒三角形的标记，然后单击并拖动该标记，以显示曲线上的各点选择模拟曲线参数及其单位，观察模拟曲线，观察模拟曲线(续)，S11(S22 )和S21 (S12 )的曲线是否满足指标要求(未设定为优化目标的带内起伏包含小于1dB的要求)版图的模拟是用矩量法直接计算电磁场的，其结果比电路图中的模拟更准确，但其计算复杂，需要很长的时间，在此作为电路图设计的验证。 因此，在布局模拟之前，要观察相邻的各耦合线节的微带线宽是否有很大差异，如果差异很大，电路图和布局模拟就会产生很大的差异，所以需要改变变量的初始值来进行最优化。

15、 此外，布局的模拟首先从电路图生成布局，在生成布局之前，去除了电路图中用于s参数模拟的两个Term和地，以使得它们不出现在所生成的电路图上。 去除的方法和之前关闭优化控件一样，使用按钮，在这些部件上加红色叉子(参见下页的图)。 然后，点击菜单的Layout - Generate/Update Layout，会弹出设定窗口，点击OK，会显示窗口，点击OK，会打开显示布局的窗口，刚刚创建、用于生成布局的电路图、用于生成布局的设定窗口、用于生成布局的窗口、布局的模拟、在布局生成后设定微带电路的基本参数(即，电路图的MSUB参数)的步骤， 单击“布局”窗口菜单中的“momentum-substrate

16、-updatefromschematic”以从电路图中获取这些参数，然后单击“momentum-substrate-create/modify”以获取这些参数布局的模拟(续)是在过滤器的两侧添加两个端口进行s参数的模拟，单击工具栏的Port按钮弹出Port设定窗口，单击OK关闭该窗口，然后单击ff 在布局的模拟(续)中，单击“momentum-simulation-s-parameter”弹出模拟设置窗口，该窗口右侧的“Sweep Type”选择“Adaptive”，开始频率为电路图然后单击“Update”按钮，在左侧的列表中输入设置，然后单击“Simulate”按钮开始模拟。 模拟过程中会出

17、现状态窗口，显示模拟过程(请参见下页图示)。 模拟运算在几分钟内进行，模拟结束后出现曲线显示窗口，观察S11和S21曲线，性能有所恶化。 这里，S21要求通带内的衰减小于2.5dB、起伏小于1dB、阻带衰减在40 dB以上。 S11在通带内优选小于-15dB。 布局模拟设定窗口、状态窗口、布局模拟曲线、布局模拟，如果通过布局模拟得到的曲线不满足指标的要求，则再次返回到电路图窗口进行优化模拟的情况下由于相邻的结合线节之间的线宽差过大，或者其他参数的值不合适，所以可以变更优化变量的初始值，或者根据曲线和指标的差来适当地调整优化目标的参数，以便重新进行优化。 返回电路图进行再优化时，先使带红十字的部件有效后再进行优化，然后重复上述步骤，直到要求布局模拟的结果。 另外，其他参数在进行电路图模拟时，还可以看到滤波器的群延迟和输入的电压驻波比等参数。 如果双击s参数控件，并在该设置窗口的“Parameters”标签中选中“Group delay”选项，则在模拟时会计算组延迟。 将左侧工具栏设置为，将VSWR控件放置在电路图上，即可计算输入驻波比。 为了观察这两个参数的曲线，在模拟后出现的图表显示窗口中添加delay