ADS微波技术 带通滤波器设计

《电磁场与微波技术》

课程设计报告

课程题目：带通滤波器的设计与仿真

姓名：

指导老师：

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专业：通信工程

学号：

班级：

完成时间： 2012-06-02

微波带通滤波器的设计与仿真

摘要：

平行耦合微带线带通滤波器在微波电路系统中广泛，为了提高带通滤波器性能，缩短设计周期，采用奇偶模原理分析与ADS仿真真相结合的方法，设计出一个中心频率为2.4GHz，相对带宽为9%的平行耦合微带线带通滤波器。进一步优化参数，得到电路版图。最终结果证明，这种方法具有设计周期短，可靠性高的特点，且各项参数满足设计要求。

关键词：平行耦合微带线；ADS；带通滤波器；奇偶模分析；电路版图。

一．基本原理

边缘耦合的平行耦合线由两条相互平行且靠近的微带线构成，单个带通滤波器单元如图1（a）所示。根据传输线理论及带通滤波器理论，带通滤波元件是由串臂上的谐振器和并臂上的谐振器来完成，但是在微带上实现相间的串联和并联谐振元件尤为困难，为此课采用倒置转换器将串并联电路转化为谐振元件全部串联或全部并联在线上。因此，单个耦合微带滤波器单元能够等效成如图1（b）所示的一个导纳倒置转化器和接在两边传输线段的组合。

这种单独耦合线节单元虽然具有典型的带通滤波器的特性，但是单个带通滤波器单元难以具有良好的滤波器响应及陡峭的带通—阻带过度。因此，通常情况下，采用级联多个这些基本耦合单元来构成实用的滤波器。如图1（a）所示为一级联耦合微带线节单元构成的带通滤波器的典型结构，其每一个耦合线节左右对称，长度约为1/4波长（对中心频率而言）。带通滤波器有（N+1）个图1所示的耦合线带通滤波器单元构成，而每一段耦合线又可等效为如图1（b）所示的电路结构，因此导纳倒置转换器之间为特性阻抗Zo。电角度为2θ的传输线段。Z0o与Z0e分别为耦合线的奇模与偶模特性阻抗。

图一

滤波器主要设计要求如下：

中心频率G0=2.4GHz;相对带宽：9%;带内波纹：<0.2dB;在频率2.2GHz和2.6GHz处，衰减>25dB;输入输出阻抗：50Ω

滤波器使用的基板参数还是Er=2.7，H=1.27mm，此时基板上的50ohm阻抗传输线的宽大概为1.22mm。

这里设计的滤波器为平行耦合线带通滤波器设计图如下：

二．平行耦合带通滤波器设计

为设计出符合要求的带通滤波器，可以将传统的平行耦合微带线设计方法与先进的微波电路仿真软件ADS2008相结合，使全部设计要求转换成实际的滤波器设计，图3是平行耦

合微带线滤波器的设计的流程图。

三．计算主要参数

1 由低通到带同频率的交换, 这里W为相对带宽，

如果采用切比雪夫原型，查表得到此滤波器为n=5级。纹波系数为0.1dB的切比雪夫原型的元件数值分别为：g0=1；g1=1.1468；g2=1.3712；g3=1.9775；g4=1.3712；g5=1.1468；

并且为了简单起见，采用对称耦合的末段。

2 根据如下公式求出偶，奇阻抗

各耦合段的偶.奇模阻抗

耦合段编号 1 2 3 4 5 6

偶模阻抗/Ω75.4 57.5 55.23 55.23 57.5 75.4

奇模阻抗/Ω38.3 44.5 45.7 45.7 44.5 38.3

3这里使用ADS自带的耦合微带传输线计算器来计算各个尺寸。对于ADS微带线计算器LineCale，参数设置如下（对于第一组数据）

各个参数计算如下

耦合区号 1 2 3 4 5 6

W(mm) 1.901060 2.519750 2.561170 2.561170 2.519750 1.901060 S(mm) 0.204545 1.036920 1.410200 1.410200 1.036920 0.204545 L(mm) 21.720100 21.117100 21.067900 21.067900 21.117100 21.720100

四．仿真与优化

用ADS进行仿真，在schematic中用模拟微带线进行布局，示意如下：

其中的电路板参数设置为; 解释如下：H为电路板厚度，Er为介电

常数，设置为2.7。Mur为渗透系数，设置为1。Cond是介质板上面金属层电导率，如果是铜的话，电导率取5.78e6,T为金属层厚度。

设置了S参数后就可以仿真了，仿真结果如下：

从图中数据分析。中心频率点在2.400GHz，带宽在2.300GHz~2.520GHz间,带内起伏较大,与要求的带内波纹：<0.2dB，不符合要求，带宽大小和频率在2.2GHz和2.6GHz处，衰减>25dB比较符合。于是要进行优化。

优化处理：

优化如下：用Tune工具进行优化，需要一定的时间和耐心，最后改变后输出图像为：

优化之后仿真输出的波形：

此时的图形比较符合要求，因此进行电路板模拟，用ADS自带的电路板生成工具，得到介质板如下：

版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但是它的计算比较复杂，需要较长的时间，可作为对原理图设计的验证。

①首先要由原理图生成版图，生成版图前先要把原理图中用于S参数仿真的两个Term以及接地去掉。

②然后点击菜单中的Layout -> Generate/Update Layout，版图生成后先要设置微带电路的基本参数(即原理图中MSUB里的参数)，点击版图窗口菜单中的Momentum -> Substrate -> Update From Schematic从原理图中获得这些参数。

2）版图的仿真

①点击Momentum -> Simulation -> S-parameter弹出仿真设置窗口，设置窗口进行仿真。经过多次的修改，优化之后出的波形，版图仿真出的波形如下，

最后的版图优化后电路的尺寸

五．仿真分析

平行耦合线微带线带通滤波器原理为基础，将传统的滤波器分析方法与利用微波电路仿真工具——ADS设计滤波器的方法相结合，设计了一个相对带宽为9%的平行耦合带通滤波器器，整个project在设计过程中主要是注重使带宽符合要求，在设计过程中发现，由公式根据需要算出来的尺寸和实际仿真出来的结果又很大的出入，这主要是由于计算的时候是根据理想条件来的，而实际上还要考虑到很多其它因素对电磁波的影响，介质损耗等等。

因此在频率的搬移上我们做了很大的功夫，时间是费了好久才搞定的。

指标要求的带宽大概是在200MHz左右，它已经能将200MHz以外的过滤掉。因此在2.3~2.5GHz内，满足要求。

本设计经多次优化后，可以得到耦合微带线带通滤波器的具体结构尺寸。设计采用了对称的平行耦合线滤波器结构。值得注意的是，在微带带通滤波器优化过程中，每次只需要对各节耦合微带线的线长、线宽及间隙共9个参数进行部分调整，即可起到改善性能的作用。L主要影响带通滤波器的通带中心频率，通带内的最大衰减则主要受S参数影响，整个通带带宽及带外衰减情况，则受W、S、L3个参数共同作用。每次优化只需要进行微调即可达到改善性能的效果，因为初始的理论分析和参数设计与最终尺寸已经比较接近。

优化后，带内的最大衰减为-0.142dB左右，在2.2G和2.6G两个点上，衰减均大于25dB，且中心频率落在通带的中点，效果良好，符合设计要求。

3个参数和通带曲S21线的大概关系。L主要影响带通滤波器的通带中心频率，L越大，中心频率越低；反之，L越小，中心频率越高。而通带内的最大衰减则主要受S参数响。整个通带带宽及带外衰减情况，则受W、S、L3个参数共同作用。

六．总结

本次课程设计是用ADS设计微带带通滤波器，之前从未接触过ADS这个软件以及微波技术，首先学会如何使用ADS。以及熟悉软件的各个部分的功能作用。

学会了ADS的使用之后，根据设计的指标，查找相关的资料，把前人所做过的例子，在软件上仿真，熟悉一遍，了解设计仿真一个滤波器的具体步骤。经过查找资料与组员讨论。

采用级联耦合微带线带通滤波器，所给的参数计算出所要设计的滤波器需要的阶数为5，用ADS自带的微带计算器算计算出各个微带线的参数，然后布局电路，仿真，出来的S（2，1）参数波形与指标要求的有一定的差距，再经过优化终于得到正确的波形且完全符合设计要求。

接下来版图的仿真，版图仿真得到的S（2，1）参数波形不满足指标要求，重新回到原理图窗口进行优化仿真，产生这种情况的原因是微带线的宽度取值不合适，可以改变优化变量的初值，也可根据曲线与指标的差别情况适当调整优化目标的参数，重新进行优化。直到达到指标要求的波形。通过本次课程设计，且对于带通通滤波器有了更深的了解，以及微波技术中一些重要参数的仿真与技术。

参考文献

[1] 徐兴福，ADS2008射频电路设计与仿真实例[M]北京：电子工业出版社，2009.

[2] 黄玉兰，射频电路理论与设计[M]：北京，人民邮电出版社，2008.