基于微带线的微波低通滤波器设计.docx
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基于微带线的微波低通滤波器设计
基于微带线的微波低通滤波器设计
【摘要】我们利用微波滤波器只让频率正确的的信号通过阻碍频率不同的信号的特性来区分信号。
滤波器的性能对微波电路系统的性能指标有很大的影响,因此设计微波电路系统时设计出具有高性能的滤波器很重要。
微带电路在微波电路系统应用广泛路。
具有个体,质量轻、频带分布宽等特点,其中用微带做滤波器是其主要应用之一,微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器,而别的滤波器可以通过低通滤波器为原型转化过来。
其中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。
因此本节将重点研究如何设计并优化微带滤波器
关键词:
微带线;滤波器;ADS软件;向导工具
目录
前言1
1滤波器2
1.1微带滤波器简介2
1.2微带滤波器的主要参数2
2微波低通滤波器设计3
2.1设计要求3
2.2滤波器向导工具仿真3
2.3集总参数滤波器转换为微带滤波器7
2.3.1Richards变换原理7
2.3.2Kuroda恒等式变换8
2.3.3仿真实现9
2.3.4kuroda等效后仿真12
参考文献14
总结15
前言
微带线滤波器具有重量轻、体积小、易于集成等特点,广泛应用于各种射频通信电路中。
滤波器体积的减小,使得单位面积中的结构更加紧凑,内部耦合情况更加复杂。
传统的设计方法是通过经验公式、查阅图表来求得相关设计参数,其过程复杂繁琐。
由于难以对所有的耦合情况都进行准确分析,因此使得所设计的电路性能指标不理想。
近年来,随着射频电路辅助设计软件的不断发展,利用仿真软件进行微带线滤波器的设计,可以绕开复杂的理论计算和推导。
ADS是安捷伦公司设计开发的一款EDA软件,它可以模拟整个信号通路,完成包括从原理图到板图、系统的各级仿真,当任何一级仿真结果不理想时,都可以回到原理图中重新进行优化设计、仿真,直到仿真结果满意为止,保证了实际电路与仿真电路的一致性。
本文通过ADS软件对微带线低通滤波器进行仿真设计,介绍一种有别于微带线滤波器的传统设计方法。
1滤波器
1.1微带滤波器简介
滤波器是一个的二端口网络,对频率适合的信号进行传输,对频率不匹配的信号进行发射衰减,从而实现信号频谱过滤。
典型的频率响应包括低通、高通、带通、带阻衰减。
还可以从不同角度对滤波器进行分类:
(1)按功能分,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。
(2)按用的元件分,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,声表面波滤波器等。
1.2微带滤波器的主要参数
(1)中心频率:
一般取f0=(f1+f2)/2,f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。
窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。
(2) 截止频率:
指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。
通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。
(3) 通带带宽:
指需要通过的频谱宽度,BWxdB=(f2-f1)。
f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准,下降X(dB)处对应的左、右边频点。
通常用X=3、1、0.5即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB表征滤波器通带带宽参数。
分数带宽=BW3dB/f0×100%,
(4)纹波:
指1dB或3dB带宽(截止频率)范围内,插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰-峰值。
(5) 带内波动:
通带内插入损耗随频率的变化量。
1dB带宽内的带内波动是1dB。
(6)带内驻波比:
衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。
理想匹配VSWR=1:
1,失配时VSWR>1。
对于一个实际的滤波器而言,满足VSWR<1.5:
1的带宽一般小于BW3dB,其占BW3dB的比例与滤波器阶数和插损相关。
(7) 回波损耗:
端口信号输入功率与反射功率之比的分贝(dB)数,也等于|20Log10ρ|,ρ为电压反射系数。
输入功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。
(8) 阻带抑制度:
衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。
该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。
2微波低通滤波器设计
2.1设计要求
截止频率4GHz,带内插入损耗小于3dB;5GHz出衰减大于5dB。
用ADS对设计结果进行仿真验证。
2.2滤波器向导工具仿真
(1)新建工程,选择【File】→【NewProject】,系统出现新建工程对话框。
在name栏中输入工程名,并在ProjectTechnologyFiles栏中选择ADSStandard:
Lengthunit——millimet,默认单位为mm,如图1所示。
单击ok,完成新建工程,此时原理图设计窗口会自动打开。
点击ok后显示如图2所示。
其中有三种方式供选择,我们此次不需要此种方法,故点击cancel,直接取消。
图1新建工程
图2
由于ADS软件自带许多功能,其中包括滤波器设计向导。
我们可以通过其直接完成该课题的设计。
点击DesignGuide,在下拉框中选择Filter选项,在弹出的对话框中选择第一项,既FilterControlWindow…,弹出滤波器设计向导。
图3
(2)点击工具栏中最右边的,弹出FilterDG–All,或者直接在元件库中选择Filter
DG–All进入即可,我们设计的是低通滤波器,既选择即可,将选中后可双击编辑各种技术要求。
或从新进入滤波器再的设计向导中选择FilterAssistant,可以看见滤波器设计向导中出现了一个带有滤波器参数设置和滤波器幅频曲线的参数设置窗口,如图4所示。
从图4可以看出,“SmartComponent”下拉列表中出现了刚刚插入原理图中的低通滤波器。
打开“FilterAssistant”标签页,滤波器类型选“MaximallyFlat”,即最平坦响应,也称巴特沃斯响应。
在设计向导中输入滤波器参数如图;FirstElement选为“Series”,即第一个元器件是串联元器件,然后单击【Redraw】就可看到巴特沃斯响应曲线。
图4滤波器参数设置
(3)返回原理图,双击滤波器元器件查看参数,属性选“SetAll”单击【Apply】,然后【OK】,此时滤波器所有参数都显示出来。
(4)选择滤波器模型,单击
图标,得到滤波器的子电路,如图5所示。
图5滤波器电路
(5)设置好后在滤波器设计向导中选择“simulationAssistant”标签页,“Start”为0,“Stop”为10GHz,“Step”为20MHz。
(6)单击【simulate】,开始仿真,仿真结果如图6所示。
图6仿真结果
(7)在FilterAssistant中选择Design,既完成了集成器件的低通滤波器。
然后选择SimulationAssistant中设置频率,然后点击仿真。
观测S21仿真图。
如图7所示。
图7S21仿真图
2.3集总参数滤波器转换为微带滤波器
集总元件如电感和电容等,只是对有限的数值范围有效,在微波频率实现很困难,而且必须用分布元件来近似,在微波频率,元件之间的距离是不能忽略的。
这里需要采用Richards变换,将集总元件变换到传输线;同时采用Kuroda恒等式,以利用传输线段来分隔滤波器元件。
由于这些附加的传输线段并不影响滤波器响应,这种类似的设计称之为冗余滤波器综合。
设计滤波器时可吸收这些线段的优点,以便改善滤波器的响应。
2.3.1Richards变换原理
为了将集总参数元件变换成分布参数元件,Richards提出了一种独特的变换,该变换可将一段开路(短路)传输线等效于分布的电感(电容)元件。
由传输线理论知,一段特性阻抗为Z0的终端短路传输线具有纯电抗性输入阻抗:
其中θ为电长度,为了使它与频率的关系更加明显,它也可以用以下方法来表式。
若传输线的长度为λ0/8,而相应的工作频率为
,则电长度可表示:
其中β为传播常数,vp为相速度,Ω为归一化频率,将(3-3)式代人(3-2)式,则电感性集总参数元件可以用一段短路传输线来实现:
同理,电容性集总参数元件也可以用一段开路传输线来实现:
利用Richards变换可以用特性阻抗Z0=L的一段短路传输线替代集总参数电感,也可以用特性阻抗Z0=1/C的一段开路传输线替代集总参数电容。
由于传输线的长度选为λ0/8(也可选为λ0/4),变换过程将集总参数元件在[0,∞)区间的频率响应映射到[0,4
)区间,以及正切函数的周期性,使频率响应被限制在[0,2
)区间。
在将集总参数元件转变成传输线段时,要分解传输线元件,也就是要插入单位元件(UE)来得到可以实现的电路结构。
单位元件的电长度为:
特性阻抗为ZUF。
单位元件可以看成是一个二端口网络,根据二端口理论,对于长度为l,阻抗特性为ZUE,传播常数为β,其ABCD参量表达式为:
2.3.2Kuroda恒等式变换
使用Richards变换后得到的滤波器实现方式需要使用远端短路的串联短截线。
如果不用同轴传输线这类辅助手段,要在印制电路板上实现这些短路短截线是极其困难的。
Kuroda恒等式允许将串联短截线变换为并联短截线,反之亦然。
这是一个精确的变换,而不是一个逼近。
这个变换需要引入一个被称为“单位元件(UE)”的构建模块。
UE是一段在f1处长度为
,归一化特征阻抗为1
的传输线。
图8和图9演示了如何应用Kuroda恒等式完成串联短截线和并联短截线的互换。
图8串联短截线互换
图9并联短截线互换
2.3.3仿真实现
(1)单击滤波器设计向导中
,打开滤波器转换助手对话框,如图10所示。
选中“LCtoTLine”选项,单击集总参数器件中串联电感,在电感转换页面中单击电感转化按钮,添加电感L1、L2,单击【Transform】把电感转化为短路串联传输线。
图10电感转化
图11转化电路
(2)单击
返回到滤波器转换助手对话框,单击并联电容
,后单击
图标,添加电容C1,单击【Transform】把电容转化为开路并联传输线。
如图12所示,转换后电路如图13所示。
图12电容转化
图13LC转换为短截线的电路图
(3)单击
返回到滤波器转换助手对话框,选中“TlinetoTline(Kuroda)”选项开始转换,如图14所示。
图14Kuroda转换步骤
(4)单击“AddTransmissionLines”,在输入输出端口分别添加一个元器件,选中
,然后【Add】及【Transform】,转换后得到滤波器原理图如图15所示。
图15Kuroda转换后的原理图
(5)选中“LC,TLinetoMicrostrip”选项,设置基片厚度为30mil,基片介电常数为3,单击【Transform】。
(6)选中滤波器元器件,单击
,得到子电路,如图16所示。
单击
可返回原理图窗口。
图16转化为微带线后的电路图
2.3.4kuroda等效后仿真
完成微带滤波器设计后,需对该滤波器进行仿真,以验其性能。
(1)在原理图设计窗口中选择“simulation-S_Param”元器件面板列表,添加两个终端负载及S参量仿真控制器到原理图中,完成设置的原理图图17所示。
图17滤波器原理图仿真设置
(2)单击工具栏中
执行仿真,结束后放置两个Marker点,用来查看频率响应参数,如图18所示。
图18微带线滤波器仿真结果
参考文献
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清华大学出版社,2004.
总结
四个星期的课程设计终于完了,此次的课程设计让我感触很多,不仅仅是知识上的学习和掌握,同时也让我明白了很多做人的道理。
在开始阶段,老师让我们了解一些基本知识,当自己照着学习指导上的内容完成了一个课题时那种心情很棒,在后面的时间里老师让我们自己设计一个课程项目时,我觉得自己没有尽自己的最大努力去设计课程项目,很多时候自己去玩了。
如果时间可以重来,我可能会认真的去学习和研究,我相信无论是谁看到自己做出的成果时心里一定会很兴奋。
此次实验让我明白了一个很深刻的道理:
团队精神固然很重要,但是人往往还是要靠自己的努力,自己亲身去经历,学到的东西才会更多。
尽管如此,这四周的时间里我还是学到了很多知识,我所做的课题是基于微带线的微波低通滤波器设计。
通过这些我了解了基本的ADC应用,对电子设计的过程有了初步的了解,同时也学会了一些ADC软件仿真方法,这些对我将来的学习和工作都有很大的帮助。
这次课程设计是一个理论与实践结合的过程,让我明白理论知识往往是不够的,只有把所学的理论与实际行动相结合,才会提高自己的综合实际能力和独立思考能力。
在设计的过程中我们都会遇到很多的问题,但往往是一个小问题都会导致实验的失败,这就要我们花大量的时间去思索和改正,这是一个很艰辛的过程,但同时也是你收获最大的过程。
实验往往是一个苦中有乐的过程,我希望在以后的实验学习中自己能独立思考,同时也要认真去完成,这样既能学到知识,也能让自己的实践操作得到锻炼。
我要感谢我的同学,他们帮我学到了很多,同时也付出了很多,也感谢老师的细心指导,
让我们顺利的完成了课程设计。
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