【正文】 () 上 式中 ， rε 是指 基片的相對介電常數(shù) 。 頻率轉(zhuǎn)換公式 : () 歸一化帶寬： （ ) （ 2） 用 1g , 2g ,..., Ng , 1?Ng 和 WB 確定帶通濾波器電路中的設(shè)計參數(shù)耦合傳輸線的奇模和偶模的特性阻抗 : () ])(1[ 21,01,000 ?? ??? iiiie JZJZZZ ])(1[ 21,01,000 ?? ??? iiiie JZJZZZ 其中下標(biāo) i, i+1 表示耦合段單元 , 0Z 取 50Ω，是濾波器輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗 。 ]1615[ ? 為了設(shè)計一個符合要求的帶通濾波器結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)計算。 該 濾波器 可以通過平行線耦陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 5 頁 共 43 頁 w w ?? )( 0012 01001,0 21 ggBπZJ W?1,...,3,2,21101,?????NiggBπZJiiWii 其中101, 21???NNWNN gg BπZJ合或半波長諧振器耦合轉(zhuǎn)換成 “ U” 字形成 。耦合微帶傳輸線由靠得很近的 3個導(dǎo)體構(gòu)成 ， 如圖 。 所以，微帶線 導(dǎo)體具有 較 高的導(dǎo)電性， 且 穩(wěn)定性好，并且對基 片 的附著力 很強(qiáng)等 特性 ]13[ 。但 其 損耗 較 大，功率的容量 也較低 。如果 微帶 線 的 厚度， 寬度 和所接地平面之間的距離是可以變化的 ， 那么他的特性阻抗也就隨之變化 。實(shí)際濾波器既不能實(shí)現(xiàn)通帶內(nèi)信號無損耗地通過，也不能讓那個實(shí)現(xiàn)阻帶內(nèi)信號衰減無窮大。矩量法將激勵和加載分割成若干個部分，并將一個泛函方程化成矩陣方程，從而得到射頻電路電磁分 布的數(shù)值解，若激勵和加載分割的越細(xì)致 ， 矩量法的點(diǎn)此數(shù)值解就越精確 ]109[? 。ADS 具有豐富的仿真分析功能，主要應(yīng)用在微波系統(tǒng)電路仿真設(shè)計、數(shù)字信號處理仿真設(shè)計、系統(tǒng)的仿真、電磁場的矩量仿真、二維或三維電磁仿真、頻域電路仿真等。 ADS 仿真軟件介紹 本文采用 ADS軟件 ,通過 ADS進(jìn)行仿真和優(yōu)化， 驗(yàn)證所設(shè)計的 微波帶通 濾波器的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)實(shí)生活中的一些微波系統(tǒng)，例如 GPS、蜂窩通信、電視等，使用的通信設(shè)備要求不僅要價錢便宜還要性能高。近些年，由于電磁環(huán)境的復(fù)雜化及頻率擁擠現(xiàn)象的嚴(yán)重化，對微波濾波器的技術(shù)指標(biāo)有了更進(jìn)一步的要求，因此，研制性能更佳、體積更小的濾波器以達(dá)到降低系統(tǒng)對有用信號的減弱，更好地使所需要的信號通過，阻止各種不需要的干擾信號的目的，已經(jīng)變?yōu)橐粋€深受關(guān)心的問題。微波的低頻段與射頻頻率相重合，目前還沒有定義出明確的射頻頻率與微波頻率的分隔點(diǎn)。但微帶線能更容易地 構(gòu)造 分布參數(shù)濾波器的 濾波 電路結(jié)構(gòu)。而且在此系統(tǒng)中，經(jīng)常都需要通過濾波電路來濾波，分離 出有用的信號。 這 也 是 目前 我們對它的期望與理想 值 ，不能真 正的 實(shí)現(xiàn)。 隨著通信技術(shù)的飛快發(fā)展，現(xiàn)在人們對于電子電路的集成度、可靠性、穩(wěn)定性、體積大小等方面越來越要求高了。 其功能模塊主要由射頻濾波器、射頻放大器、射頻振蕩器及混頻器等構(gòu)成。設(shè)計了 一個中心頻率為 ，帶寬 為 200MHz的 抽頭線發(fā)夾型 帶通濾波器 ，并 結(jié)合 ADS 的優(yōu)化仿真功能 , 得出了滿足設(shè)計目標(biāo)的版圖仿真結(jié)果 ,驗(yàn)證了此方法的正確性和可行性 。陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 I 基于 ADS的 微波 帶通濾波器仿真設(shè)計 作者： 田曉寧 （陜西理工學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院 電子信息工程專業(yè) 11級 1班 陜西 漢中 72300X） 指導(dǎo)教師：賈建科 [摘要 ] 隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，通信設(shè)備所用頻率逐日增高，射頻 (RF)電路得到業(yè)界的特別關(guān)注。 詳細(xì)地論述了微帶發(fā)夾型濾波器的設(shè)計過程 , 及設(shè)計中各項(xiàng)參數(shù)的確定。無線通信領(lǐng)域主要應(yīng)用的是射頻系統(tǒng)， 而很多種無線通信領(lǐng)域都會應(yīng)用此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 所以濾波器在信號的發(fā)射與接收過程中起著關(guān)鍵的作用，是必不可少的器件，其性能的好壞決定著整個系統(tǒng)的通 信質(zhì)量 ]32[? 。因此，目前還不能實(shí)現(xiàn)集成化。 在射頻通信系統(tǒng)中，無論是是作為發(fā)射機(jī)還是接收機(jī)都需要選擇特定的頻率，對其信號進(jìn)行處理，過濾掉其他頻率的干擾雜音信號。 當(dāng) 是 高頻信號， 則 ]65[? 該 濾波 電路可以 通過 分布參數(shù)濾波電路實(shí)現(xiàn)，并且當(dāng)信號 頻率較 低時， 濾波器 也可以用集總參數(shù)電路。微波也稱為“超高頻電磁波”是包含分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的電磁波，其頻率范圍為 300MHz300GH，波長 在 1m1mm之間 ]8[ 。其作用是提取、分離有用信號而抑制不需要的信號，在現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，是電子通信等領(lǐng)域里不可缺少的器件之一。微帶濾波器的電路圖僅僅由用一些導(dǎo)體帶級聯(lián)構(gòu)成的，這樣的話便使得它的結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，體積將會大大減小，這又成為它的一個優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)代微波濾波器性能各異，種類繁多，有平行禍合型、階梯阻抗型、發(fā)夾型以及交指型等，但是每種濾波器都有自己的優(yōu)點(diǎn)和不足，因此必須根據(jù)濾波器的實(shí)際應(yīng)用場合和工程應(yīng)用目的來選擇不同類型的濾波器。因此深受廣大 電子工程設(shè)計師們的喜愛。因此在電磁場的數(shù)值計算中應(yīng)用十分廣泛。 （ a）低通濾波器 （ b）高通濾波器 （ c）帶通濾波器 （ d）帶阻濾波器 圖 濾波器 但是理想濾波器是不存在的，實(shí)際濾波器與理想濾波器與理想濾波器有差異。 而微帶線的特性阻抗是由 印刷線的厚度，寬 度，距離， 以及印刷導(dǎo)體電介質(zhì)層的介電常數(shù) 等來確定計算的 。 ?????? ??? tw hεZ r （ ） 圖 表層微帶線模型 微帶線 具有 體積小，重量輕等特性與金屬波導(dǎo)相比較 。 通常 介電常數(shù)高 的、 微波損耗 低的 材料 被選為 介質(zhì)基片。 圖 耦合微帶線基本單元 當(dāng)兩個無屏蔽的傳輸線緊靠一起時，由于傳輸線 之間電磁場的相互作用，在傳輸線之間會有功率耦合，這種傳輸線稱為耦合傳輸線。 它是一種結(jié)構(gòu)緊湊、終端開路無需通過過孔接地的濾波器。而 濾波器性能 則是由 發(fā) 夾 臂長， 發(fā)夾 間距，發(fā)夾寬度， 和抽頭位置 決定的 ]14[ 。根據(jù)需要的衰減和波紋，選定采 用巴特沃斯或切比雪夫設(shè)計方法， 來 確定濾波器的階數(shù)和 相應(yīng) 的低通濾波器參數(shù)1g , 2g ,..., Ng , 1?Ng 。2a rc s in2 ?? (a)抽頭線發(fā)夾型諧振器 (b)等效電路 對于抽頭位置 l ，可用計算公式 ()計算： () 式中， R 為源內(nèi)阻 , 4gλL? ； 濾波器發(fā)夾臂長為 4gλ ； reg ελλ 0? ； 0λ 為濾波器中心頻率的自由傳播波長 。 根據(jù)微帶線的奇 、 偶膜阻抗，按照給定的微帶線路板的參數(shù)，借助 ADS自帶的傳輸線 LineCale計算工具，計算得到每級微帶線的幾何尺寸 W ,S ,L ]18[ 。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 8 頁 共 43 頁 圖 ADS Linecalc 模塊 計算得到每級微帶線的幾何尺寸 W ,S ,L ，如表 。 圖 ADS2020 工程文件窗口 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 9 頁 共 43 頁 （ 2）建立原理圖工程，執(zhí)行菜單命令 [File] [New] [Schematic],或點(diǎn)圖標(biāo) ，如下圖 所示。 圖 MLIN 參數(shù)設(shè)置 （ 6） 用鼠標(biāo)雙擊原件 Mclin,修改原件參數(shù)，如下圖 。 圖 MSUB 參數(shù)設(shè)置 完成設(shè)置的 MSUB控件如圖 。 2) 選擇 S參數(shù)掃描控件“ SP”，放置在原理圖中。 圖 仿真面板窗口 (4)選擇要顯示的 S(2,1)和 S(1,1),單擊【 Add】按鈕，在彈出的“ Camplex Data”對話框中選擇 dB為單位，如下圖 。 圖 微帶線參數(shù)設(shè)置 2) 用同樣的辦法 設(shè)置其它 3段微帶線參數(shù)。 如圖 。 Button Goal1 Goal2 Goal3 Expr dB(S(2,1)) dB(S(2,1)) dB(S(2,1)) SimInstanceName SP1 SP1 SP1 Weight 300 300 300 LimitMin 3 保留 保留 LimitMax 保留 40 40 IndepVar Freq Freq Freq Indep1Min 保留 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 18 頁 共 43 頁 圖 微帶線發(fā)夾型帶通濾波器優(yōu)化原理圖 （ 4）完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置之后，單擊工具欄中的 [Simulate]—— [Optimize]或圖標(biāo) 按鈕進(jìn)行優(yōu)化仿真。最終得到的優(yōu)化結(jié)果如圖 所示。 ? 帶內(nèi)波紋小于 3dB滿足技術(shù)指標(biāo)。 一般使用電路板上的微帶電路實(shí)現(xiàn) 微帶抽頭線發(fā)夾型帶通濾波器 ，這可能與原理圖仿真的結(jié)果有很大差別，因此需要在 ADS 中對版圖進(jìn)行進(jìn)一步的仿真之后才能進(jìn)行電路板的制作。 （ 3） 選擇菜單中的 [Layout]—— [Generate/Update Layout]命令，彈出一個設(shè)置窗口， 如圖，可進(jìn)行起始元器件設(shè)置。由濾波器原理圖生成的版圖如圖所示。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 22 頁 共 43 頁 圖 在版圖中添加兩個端口 （ 2） 在版圖設(shè)計窗口中 單擊工具欄中的 圖標(biāo) ，打開仿真設(shè)置對話框， 單擊左側(cè)欄中的[Frequency plan]如圖 。 （ 4） 單擊【 Simulate】按鈕開始進(jìn)行仿真。 圖 (a) 11S 參數(shù) 圖 (a) 21S 參數(shù) 由 圖 可以看出： ? 中心頻率為 ，滿足技術(shù)指標(biāo)。 3D 圖 生成版圖的 3D圖 步驟： 選擇菜單中的 [EM]—— [3D EM Preview]或點(diǎn)擊圖標(biāo) 運(yùn)行，即生成版圖 3D 圖。本文介紹了基于 ADS設(shè)計耦合微帶線帶通濾波器的方 法，傳統(tǒng)設(shè)計方法因?yàn)樾枰楸砑扒€擬合來完成，工作量大，而且設(shè)計精度不高。 4 總結(jié)與展望 伴隨著微波通信領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，未來的濾波器需要從現(xiàn)在通信系統(tǒng)的工作頻率向更短波長，主要是毫米波段轉(zhuǎn)變，以避免在低頻段的擁擠的問題 , 微帶線濾波器因其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，成本低等優(yōu)點(diǎn) 。同時給出了設(shè)計濾波器的設(shè)計實(shí)例以及對一些公式作了推導(dǎo)工作?；牧系慕殡姵?shù)、厚度以及介質(zhì)損耗角等參數(shù)稍有變化，就會影響濾波器的整體性能指標(biāo)，因此在設(shè)計時應(yīng)充分地把材料的這些影響因素考慮進(jìn)去，使濾波器的設(shè)計更趨合理 ]23[ 。本篇論文是在賈老師的悉心指導(dǎo)下完成的。最后我特別要將誠摯的謝意獻(xiàn)給我的家人，感謝他們多年來對我的關(guān)心、照顧、理解和支