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1、课 程 设 计 题目切比雪夫带通滤波器的设计 学生姓名学号 所在院(系)物理与电信工程学院 专业班级电子 1104 指导教师聂翔 完成地点博远楼计算机实验室 2014年 1 月 08 日 摘要 微波滤波器在卫星通信、雷达技术、 电子对抗及微波测量仪器中都有广泛的应用。无论 是发射机还是接收机，都需要选择特定频率的信号进行处理，滤除其他频率的干扰信号，这 就需要使用滤波电路来分离有用信号和干扰信号。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波 器的衰减快， 但频率响应的幅频特性不如后者平坦，切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响 应曲线之间的误差最小。本文借助ADS2008 仿真软件，设计出一种切比雪夫带通
2、滤波器，简 化了设计步骤，节省了设计时间。 关键字： ADS软件带通滤波器切比雪夫 目录 1 设计方法与参数 3 1.1 将带通原型参数变换为低通原型参数；. 3 1.2 参数计算 . 3 2 软件仿真 4 2.1 创建项目 . 4 2.2 利用 ADS 的计算工具tools 完成对微带滤波器的计算 . 5 2.3 设计原理图 . 5 2.4 原理图仿真 . 6 2.5 原理图优化 . 8 2.6 版图生成与仿真. 12 3 设计心得： 13 参考文献 . 14 3 1 设计方法与参数 设计带通滤波器的方法有很多种，但最为产检的是低通原型滤波器综合法和数值法，这 两种方法与设计师多种可能解决方
3、案之间的抉择紧密关联。相对与巴特沃兹滤波器，切比雪 夫滤波器具有的较窄的过渡带，但这是以牺牲滤波器通带和阻带的波纹性换来的。主要的技 术指标： （1）中心频率 0 f:2.5GHz; （中心频率 0h l ff f， h f、 l f分别为带通滤波器的上、下边 界频率。） （2）输入输出阻抗：50； （3）带内波动 : 3dB; （通带内插入损耗随频率的变化量） （4）相对带宽：20%;（信号带宽与中心频率之比） （5）阶数： 3阶 1.1 将带通原型参数变换为低通原型参数； 由低通原型滤波器变换为带通滤波器的公式为： 00 10 ffwf wBW ff ； 其中 0h l ff f为带通滤波
4、器中心频率， h f、 l f分别为带通滤波器的上、下边界频率。 BW为滤波器的带宽BW= h f- l f。 依据切比雪夫低通滤波器原型的归一化元件值可得：3阶带通滤波器元件值依次为： g0=1.0 、g1=1.5963 、g2=1.0967 、 g3=1.5963 、g4=1.0 。 1.2 参数计算 使用归一化设计参数g1-g4 和归一化带宽 BW 可以得到通带滤波器的设计参数 ,1 01 1 2 i i ii BW J Zg g ,1 0 1 1 2 n n nn BW J Zg g 由上式的通带电路设计参数可以得到奇模和偶模特征阻抗，其值为： 4 2 ,100,10,1 |1 Oi
5、ii ii i ZZZ JZ J 2 ,100,10,1 |1 Ei ii ii i ZZZ JZ J 式中 0 Z为特征阻抗，取值为50， 将g0=1.0 、g1=1.5963 、g2=1.0967 、g3=1.5963 、g4=1.0 带入上述式中依次得到： 0,1 J =0.0140、 1,2 J =0.0119、 2,3 J =0.0119、 3,4 J =0.0140 解出特征阻抗为： 奇模： 0,1 | O Z=39.50、 1,2 | O Z=37.95、 2,3 | O Z=37.95、 3,4 | O Z=39.50 偶模： 0,1 | E Z=109.50、 1,2 | E
6、 Z=97.45、 2,3 | E Z=97.45、 3,4 | E Z=109.50 2 软件仿真 2.1 创建项目 启动 ADS 软件，弹出主视窗。 选择主视窗中的 【file】菜单 -【new project 】，弹出【new project】对话框，在【new project】对话框输入项目名称和这个项目默认的长度单位。 5 2.2 利用 ADS 的计算工具tools完成对微带滤波器的计算 ADS 软件中的工具tools，可以对不同类型的传输线进行计算，使用者可以利用计算工 具提供的图形化界面进行设计。对于平行耦合微带线来说，可以进行物理尺寸和电参数之间 的数值计算， 若给定平行耦合微
7、带线奇模和偶模的特性阻抗，可以计算平行耦合微带线 导体带的角度和间隔距离。下面利用ADS 软件提供的计算工具，完成对平行耦合微带线的 计算。在原理图上， 选择【tools】 菜单 -【LineCalc 】 -【Start LineCalc 】 命令，弹出【LineCalc 】 计算窗口。如图示。 设置所需参数。在【LineCalc 】计算窗口选择如下： Er=2.7，表示微带线基板的相对介电常数为2.7。 Mur=1 ，表示微带线的相对磁导率为1。 H=1mm ，表示微带线基板的厚度为1mm。 Hu=1.0e+033 ，表示微带线的封装高度为1.0e+033。 T=0.05mm ，表示微带线的
8、导体厚度为0.05mm。 Cond=5.8E+7，表示微带线导体的电导率为5.8E+7。 TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为0.0003. Freq=2.4GHZ ，表示计算时采用的频率为2.4GHZ. Ze，表示计算时偶模的特性阻抗。 Zo，表示计算时奇模的特性阻抗。 2.3 设计原理图 在原理图的元件面板列表中，选择【TLines-Microstrip 】，元件面板上出现对应的元件 图标。在元件面板上选择Mcfil ，4 次插入原理图的画图区，可以设置这段微带线的导体带 宽度 W，导体带间隔S 和长度 L。分别双击画图区的4 个 Mcfil ，将 4 个 Mcfil 的数值根
9、据 6 列表中的数值设置，在微带线元件面板上选择MLIN ，两次插入原理图的画图区，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。分别双击可以设置。选择S 参数仿真元件面板，在元件面板上选择负载终端Term，两次插入原理图，再插入两次地线， 完成连线如下图 2.4 原理图仿真 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。 在 S 参数仿真元件面板 【Simulation-S_Param 】 上， 选择 S参数仿真控件SP， 插入原理图区， 对 S参数控件设置如下start=1.0GHz，
10、 stop=4GHz， step=20MHz 7 仿真后波形如下 序号频率dB(S(2，1) M1 1.940GHz 0.571 M2 2.900GHz 0.579 M3 2.440GHz 0.530 从图中得中心频率为2.44 ，出现偏移，且通带带宽太大，带内纹波和衰减不满足要求， 所以要进行优化。 8 2.5 原理图优化 修改平行微带线段的取值方式，将平行耦合微带线段的导体带宽度W 、 两个导体带的间 隔 S和耦合微带线的长度L 设置为变量， 并设置相邻平行耦合微带线的尺寸，分别在下面窗 口中设置4 段微带线 设置完成后， 在原理图的工具栏选择【VAR 】 按钮，插入原理图的画图区。在画图
11、区双击VAR ， 弹出 【Variables and Equations】对话框，在对话框中对变量w1、s1、 l1 、w2、s2、 l2 的范围进行设置得到 在原理图中插入优化控件Optim，双击优化控件Optim，设置优化次数为100 次 9 在原理图中插入3 个目标控件GOAL, 双击设置如下 最后所得的优化原理图为 10 得到仿真的波形图如下， 11 如上图所示，优化后并不满足设计要求。最后通过工具栏中【Simulate】 【Tuning】进行 调谐。如下图所示： 得到仿真图如下： S11：端口 2 匹配时，端口1 的反射系数； 12 S22：端口 1 匹配时，端口2 的反射系数； S
12、12：端口 1 匹配时，端口2 到端口 1 的反向传输系数； S21：端口 2 匹配时，端口1 到端口 2 的正向传输系数； 对于互易网络，有：S12 S21； 对于对称网络，有：S11 S22 序号频率Db(S(2,1) M1 2.240GHz -0.566 M2 2.760GHz -0.470 M3 2.400GHz -3.410 M4 2.500GHz -2.324 从上表可以看出： M4为中心频率为2.5GHz 在中心，满足技术指标， M1为上边频2.24GHz，M2为下边频 2.76GHz，满足技术指标 由 M2和 M3得带内波纹为2.940dB 相对带宽20% 满足技术指标（2.2
13、4-2.76GHz ） 2.6 版图生成与仿真 （1）在原理图视窗上，单击原理图工具栏中的【Deactive or Active Component】按钮， 然后单击两个端口的Term、接地、 和优化控件， 去掉阶梯阻抗带通滤波器两个端口的Term、 接地和优化控件，不让它们出现在生成的班图中。 （2）选择原理图上的 【Layout 】菜单 【Generate/Update Layout 】，弹出【Generate/Update Layout 】设置窗口，单击窗口上的【OK 】按钮。默认它的设置。 （3）完成版图的生成过程后，版图视窗会自动打开，画图区会显示刚刚生成的版图，如图 所示。原理图中
14、构成滤波器电路的各种微带线元件模型，在版图中已经转化成实际微带线。 （4）选择版图工具栏上的端口Port ，两次插入版图，输入端口设置为端口1，输出端口设 置为端口2. （5）下面设置微带线的基本参数。为了使版图的仿真结果有效，必须使版图中微带线的基 本 参 数与 原 理图 中微 带线 的 基本 参 数一 致。 选择 版 图视 窗 中的 【 Momentum 】 菜单 【Substrate】【 Update From Schematic】命令，从原理图视窗得到微带线的基本参数。 13 3 设计心得： 本文以切比雪夫带通滤波器原理为基础，将传统的滤波器设计方法与利用微波电路仿 真工具设计滤波器的
15、方法相结合，设计了一个相对带宽为20% 的切比雪夫带通滤波器，并给 出仿真结果， 同时对仿真结果进行了分析。仿真结果表明利用这种方法设计的切比雪夫带通 滤波器达到了要求的指标，本次的设计是我们在学习ADS2008的基础上跟同组同学的讨论， 设计，遇到问题大家一起解决，也让我学到了与同学之间的合作。 本次设计遇到的难题是优化的时候，首先进行自动各个值设计为变量，并输入优化范 围，如果还达不到要求，可以把优化范围扩大，优化次数加大，如果还没达到技术指标，可 以进行手动优化，本次我们设计采用自动优化和手动优化相结合。 14 参考文献 1、徐兴福编著ADS2008射频电路与仿真实例电子工业出版社 2009 p99-139 2、黄玉兰编著 ADS射频电路设计基础与典型应用人民邮电出版社 2008 p138-149 3、黄玉兰编著基于 ads 的低通滤波器的实现人民邮电出版社 2009 p5-9 4、黄玉兰编著射频电路设计理论与基础人民邮电出版社2012.12:p101-107； p129-163. 5、 王 子 宇王 心 悦等 译 射 频 电 路 设 计 - 理 论 与 应 用 电 子 工 业 出 社 2013.8:p112-182；