ADS微波滤波器设计.pdf

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1、Http:/ 专业提供 ADS, HFSS, ANsoft Designer, Mentor EN, Mentor WG 学习培训教程 微带滤波器的设计（微带滤波器的设计（ADS） http:/ 一、原理 这次设计的滤波器主要是针对前面设计的天线而来的， 即要实现最后的级联。 所以有必 要阐述一下上次设计的天线的具体规格： 上次设计的天线是在 2.5GHz 附近工作,而我在这里设计的滤波器目的是针对移动通信 设计，所要求带宽较窄，令带宽在 50MHz 左右，符合天线能提供的范围。滤波器使用的基 板参数还是r= 9.8, h=1.27mm，此时基板上的 50ohm 阻抗传输线的宽大概为 1.22

2、mm。 滤波器主要设计要求如下： 中心频率 G0=2.5GHz 带宽=50MHz70MHz（计算按 50MHz） 在 2.55GHz 上衰减达到 25dB 这里设计的滤波器为边缘耦合平行耦合线带通滤波器设计图如下： 二、计算主要参数 1、由低通到带通频率的变换 这里 W 为相对带宽， 0 12 12 12 2 f ff ff ff W = + =0.02 得到 1 2，如果采用切比雪夫原型，查表得到此滤波器为 n=4 级。 纹波系数为 0.01dB 的切比雪夫原型的元件数值分别为： g0=1;g1=0.7168;g2=1.2003;g3=1.3212;g4=0.6476;g5=1.1007;

3、11 并且为了简单起见，采用对称耦合的末段。 2、 = 2 1 2 1 W =1.5551= 1 .89； 1 tan 2 1 =31.828； 计算各个 G 参数如下： 7168 . 0 1 1 1 =G=1.1811； 1007 . 1 6476 . 0 1 5 =G=1.1844； 2003 . 1 7168 . 0 1 2 =G=1.0781； 3212 . 1 2003 . 1 1 3 =G=0.7941； Http:/ 专业提供 ADS, HFSS, ANsoft Designer, Mentor EN, Mentor WG 学习培训教程 6476 . 0 3212 . 1 1 4

4、 =G=1.0811； 当滤波器采用对称耦合结构 1 2 1 +=Gh=0.0301; ( )( ) 1 5 11 1 11 = AA; ( )( ) 1811. 10301. 0 5 12 1 12 = AA=0.2049; ( )( ) 1 5 22 1 22 = AA; ( )( )( ) 828.310301. 0 4 11 3 11 2 11 =AAA=0.9580; ( )( ) 1 .89sin0800. 10301. 0 4 12 2 12 = AA=0.0325; ( ) 1 .89sin7941. 00301. 0 3 12 =A=0.0239; 3、于是阻抗矩阵元素和偶、

5、奇模阻抗为： ( )( )( )( ) 1 5 22 1 22 5 11 1 11 =ZZZZ； ( )( ) 2049. 0 5 12 1 12 = ZZ； ( )( )( ) 9580. 0 4 11 3 11 2 11 =ZZZ； ( )( ) 0325. 0 4 12 2 12 = ZZ； ( ) 0239. 0 3 12 =Z； 各耦合段的偶、奇模阻抗 耦合段编号 1 2 3 4 5 归一值 1.2049 0.9905 0.9819 0.9905 1.2049 偶模阻抗 Z0e 实际值 60.245 欧49.525 欧49.095 欧49.525 欧 60.245 欧 归一值 0.7

6、951 0.9255 0.9341 0.9255 0.7951 偶模阻抗 Z0o 实际值 39.755 欧46.275 欧46.705 欧46.275 欧 39.755 欧 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。主要是因为利用 PUFF 软件对各个 4 长耦合微带线的尺寸时， 如果是象本人设计的窄带滤波器寄模阻抗和偶模阻 抗相差比较小，若设计精确需要加入小数部分，但是 PUFF 中不能写如小数部分，以至于设 计不精确，如图所示： Http:/ 专业提供 ADS, HFSS, ANsoft Designer, Mentor EN, Mentor WG 学习培训教程 对于 A

7、DS 微带线计算器 LineCalc，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 W(mm) 1.166290 1.300080 1.299130 1.300080 1.166290 S(mm) 0.826188 3.979720 4.985470 3.979720 0.826188 Http:/ 专业提供 ADS, HFSS, ANsoft Designer, Mentor EN, Mentor WG 学习培训教程 L(mm) 11.787300 1.591400 11.585600 11.591400 11.787300 三、布局 用 ADS 进行仿真

8、，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 9.8。Mur 为渗透性系数，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。 四、仿真 设置了 S 参数后就可以仿真了，仿真结果如下： Http:/ 专业提供 ADS, HFSS, ANsoft Designer, Mentor EN, Mentor WG 学习培训教程 从图中数据分析。 中心频率点在 2.409GHz,带宽在 2.381GHz2.440GHz 间， 为 59MHz.。 显然，设

9、计不符合要求，主要是中心频率点偏离原定点太大（原定频率中心为 2.5GHz，带 宽在 2.475GHz 到 2.525GHz 间，为 50MHz） ，除了带宽大小比较符合外，是个比较失败的 设计。于是要进行优化。优化如下： 五、优化 用 Tune 工具进行优化，需要一定的时间和耐心，最后做出来的电路如下： 各个耦合微带线的具体尺寸变化为： 耦合区号 1 2 3 4 5 W(mm) 0.86824 1.14513 1.12744 1.14513 0.86824 S(mm) 0.91741 1.52025 1.70144 1.52025 0.91740 L(mm) 10.32205 11.6609

10、5 11.72338 11.81944 11.81944 改变后输出图象为： Http:/ 专业提供 ADS, HFSS, ANsoft Designer, Mentor EN, Mentor WG 学习培训教程 此时根据图象分析，还不是很理想。主要是和前级太不匹配，S11 参数普遍太大，希望 能够和前级匹配，需要加入匹配电路。并且电路的通带衰减还是不够理想。 加入匹配电路后如图所示： 其中前面加入了三段串联传输线来进行匹配， 其中最右边的那段是将原来的传输线改变 长度得到的， 三条线的具体尺寸为： W1=3.256mm， L1=10.96mm； W2=0.888mm， L2=11.8mm。

11、而原来 1.28mm 的 50 欧姆传输线长度变为 11.44mm。 匹配后输出图象如下： Http:/ 专业提供 ADS, HFSS, ANsoft Designer, Mentor EN, Mentor WG 学习培训教程 可见此时电路已经实现了匹配，但是新的问题又来了，如图可以看到 2.5GHz 处的衰减 为-2.575dB，和带边上的衰减-3.582dB 和-3.227dB 相比较相对衰减明显太小。 于是现在又面临一个新的问题，如何在尽量不使电路再次不失配的情况下，增加其品 质因素？ 在这里我想了一个笨办法，先是改变元素值，使其在中心衰减稳定的情况下，使右边 的倾斜度提高，以使得右边带

12、的衰减符合要求。由于只考虑一边，电路上比较容易实现。然 后，在滤波器的前端或后端（我使用后端，出于是电路看上去视觉平衡的原因） ，加入一个 高通滤波器，调节它的 3dB 衰减位置，使得最终输出可以实现较理想的带通。 但是这样也会带来很多困难和矛盾，首先是匹配上会出现问题，其次，由于多级的滤 波，使得中心频率上的衰减会越来越大，信噪比会减小。但是，在不能想出更好的办法下， 希望能用这个方法来实现设想的滤波器。 首先，要设计一个匹配电路，品质因素当然是越高越好，电路设计如下： Http:/ 专业提供 ADS, HFSS, ANsoft Designer, Mentor EN, Mentor WG

13、学习培训教程 注意：这里设置的参数是根据后面的匹配得到的。 得到输出图象如下： 这里的衰减不是非常大， 因为考虑到尽量使得中心衰减小， 以至于使总的中心衰减不是 很大。在滤波器末端加入这个高通滤波后，再进行一些小小的改动仿真。 经过匹配后的最终电路为： Http:/ 专业提供 ADS, HFSS, ANsoft Designer, Mentor EN, Mentor WG 学习培训教程 各对耦合微带线和匹配线都有所改变，从左到右依次为 传输线： mmL mmW 96.101 256. 31 = = mmL mmW 8 .112 888. 02 = = mmL mmW 44.113 28. 13

14、 = = 耦合微带线为： 耦合区号 1 2 3 4 5 W(mm) 1.07662 1.13597 1.40181 1.22529 1.05752 S(mm) 1.08437 1.32870 1.27819 1.33174 1.08437 L(mm) 10.28766 11.45105 12.02775 11.84308 11.65398 这样得到的最终输出图象为： 此时，在较小的反射系数下得到了较为理想的通带衰减，是个比较令人满意的结论。 然后进行电路板模拟，用 ADS 自带的电路板生成工具，得到介质板如下： Http:/ 专业提供 ADS, HFSS, ANsoft Designer, M

15、entor EN, Mentor WG 学习培训教程 对其进行仿真，具体操作步骤为： 1、 设置 Substrate，点击， 然后再点击，即完成设置模拟。 2、 设置 port，全选这个电路图，点击 ，编辑下面这个窗口，完 成端口设置。 Http:/ 专业提供 ADS, HFSS, ANsoft Designer, Mentor EN, Mentor WG 学习培训教程 3、 Mesh 仿真，点击，输入框中的频率数值， 点击 ok 开始模拟。 4、 最后进行 simulate， 点击 s-simulate 设置好参数和点数后， 就可以开始进行仿真。 最后得到各种图象如下： Http:/ 专业提

16、供 ADS, HFSS, ANsoft Designer, Mentor EN, Mentor WG 学习培训教程 Http:/ 专业提供 ADS, HFSS, ANsoft Designer, Mentor EN, Mentor WG 学习培训教程 将输出主要的波形与上面的原理图上主要波形相比较： 发现，两者非常相近，虽然有些小小的差别，但是已经比较让人满意了。 将电路板的 3D 图进行仿真，得到了增益图如下： Http:/ 专业提供 ADS, HFSS, ANsoft Designer, Mentor EN, Mentor WG 学习培训教程 六、分析 整个 project 在设计过程中主

17、要是注重使带宽符合要求，所以或多或少的对别的因素如 中心衰减匹配问题有些忽略，那主要是因为我设计的滤波器如上面所讲的针对窄带滤波来 的。 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有很大的出 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如贴 片的边缘电容对电磁波的影响，介质损耗等等。 因此在频率的搬移上我做了很大的功夫，时间是费了好久才搞定的。其实最终输出的 增益如果从 23GHz 来看应该是如下所示： 可见，在 2.2GHz 到 2.4GHz 间有一段很不平滑曲线，如果它进入带宽，会使整个电路 Http:/ 专业提供 ADS, HFS

18、S, ANsoft Designer, Mentor EN, Mentor WG 学习培训教程 失真度奇大无比， 但是我可以不去考虑这些，而把注意力集中在 2.4GHz 到 2.6GHz 间，是 因为它上一级接的是微带天线， 本身带宽就相对较小， 在 200MHz 以内， 它已经能将 200MHz 以外的过滤掉。因此在 2.4GHz 和 2.6GHz 内，增益满足要求。 另外一个就是匹配问题， 在尽量满足带宽的情况下我只好牺牲电路的匹配， 而且很难兼 顾到两者的共同优化，在这个问题上我尝试了好久始终不能达到成功。 从我的设计中可以看到我的滤波器由三部分组成， 因此不但损耗会比较大， 而且使得电 路不能匹配，这些都是我这个电路的本身缺陷。 做进一步的分析，是因为我起先定的带宽太小，只有 2%，这样在理想情况下计算出来 的结果就和实际有了较大的差距，引起了后面优化的困难度。在后面的附录里面，有我设计 的另一个例子，是在 10MHz 带宽的情况下，理想算出来的结果拿 ADS 仿真，发现它更是 相差离谱了， 可见书上的公式只适合带宽较大的情况， 对窄带的设计还需要作进一步的修改。