【正文】 () 上 式中 ， rε 是指 基片的相對介電常數(shù) 。 頻率轉換公式 : () 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 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[ ? 為了設計一個符合要求的帶通濾波器結構，需要進行大量的數(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換成 “ U” 字形成 。耦合微帶傳輸線由靠得很近的 3個導體構成 ， 如圖 。 所以，微帶線 導體具有 較 高的導電性， 且 穩(wěn)定性好，并且對基 片 的附著力 很強等 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 。實際濾波器既不能實現(xiàn)通帶內(nèi)信號無損耗地通過，也不能讓那個實現(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致 ， 矩量法的點此數(shù)值解就越精確 ]109[? 。ADS 具有豐富的仿真分析功能，主要應用在微波系統(tǒng)電路仿真設計、數(shù)字信號處理仿真設計、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進行仿真和優(yōu)化， 驗證所設計的 微波帶通 濾波器的準確性?，F(xiàn)實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)境的復雜化及頻率擁擠現(xiàn)象的嚴重化，對微波濾波器的技術指標有了更進一步的要求，因此，研制性能更佳、體積更小的濾波器以達到降低系統(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。但微帶線能更容易地 構造 分布參數(shù)濾波器的 濾波 電路結構。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 實現(xiàn)。 隨著通信技術的飛快發(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成。設計了 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 結合 ADS 的優(yōu)化仿真功能 , 得出了滿足設計目標的版圖仿真結果 ,驗證了此方法的正確性和可行性 。陜西理工學院畢業(yè)論文 I 基于 ADS的 微波 帶通濾波器仿真設計 作者： 田曉寧 （陜西理工學院 物理與電信工程學院 電子信息工程專業(yè) 11級 1班 陜西 漢中 72300X） 指導教師：賈建科 [摘要 ] 隨著通信技術的不斷進步發(fā)展，通信設備所用頻率逐日增高，射頻 (RF)電路得到業(yè)界的特別關注。 詳細地論述了微帶發(fā)夾型濾波器的設計過程 , 及設計中各項參數(shù)的確定。無線通信領域主要應用的是射頻系統(tǒng)， 而很多種無線通信領域都會應用此類系統(tǒng)結構。 所以濾波器在信號的發(fā)射與接收過程中起著關鍵的作用，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，目前還不能實現(xiàn)集成化。 在射頻通信系統(tǒng)中，無論是是作為發(fā)射機還是接收機都需要選擇特定的頻率，對其信號進行處理，過濾掉其他頻率的干擾雜音信號。 當 是 高頻信號， 則 ]65[? 該 濾波 電路可以 通過 分布參數(shù)濾波電路實現(xiàn)，并且當信號 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)中起著至關重要的作用，是電子通信等領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體帶級聯(lián)構成的，這樣的話便使得它的結構變得更加緊湊，體積將會大大減小，這又成為它的一個優(yōu)點。現(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)點和不足，因此必須根據(jù)濾波器的實際應用場合和工程應用目的來選擇不同類型的濾波器。因此深受廣大 電子工程設計師們的喜愛。因此在電磁場的數(shù)值計算中應用十分廣泛。 （ 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。 它是一種結構緊湊、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計方法， 來 確定濾波器的階數(shù)和 相應 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],或點圖標 ，如下圖 所示。 圖 MLIN 參數(shù)設置 （ 6） 用鼠標雙擊原件 Mclin,修改原件參數(shù)，如下圖 。 圖 MSUB 參數(shù)設置 完成設置的 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)設置 2) 用同樣的辦法 設置其它 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）完成相關參數(shù)設置之后，單擊工具欄中的 [Simulate]—— [Optimize]或圖標 按鈕進行優(yōu)化仿真。最終得到的優(yōu)化結果如圖 所示。 ? 帶內(nèi)波紋小于 3dB滿足技術指標。 一般使用電路板上的微帶電路實現(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果有很大差別，因此需要在 ADS 中對版圖進行進一步的仿真之后才能進行電路板的制作。 （ 3） 選擇菜單中的 [Layout]—— [Generate/Update Layout]命令，彈出一個設置窗口， 如圖，可進行起始元器件設置。由濾波器原理圖生成的版圖如圖所示。 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 22 頁 共 43 頁 圖 在版圖中添加兩個端口 （ 2） 在版圖設計窗口中 單擊工具欄中的 圖標 ，打開仿真設置對話框， 單擊左側欄中的[Frequency plan]如圖 。 （ 4） 單擊【 Simulate】按鈕開始進行仿真。 圖 (a) 11S 參數(shù) 圖 (a) 21S 參數(shù) 由 圖 可以看出： ? 中心頻率為 ，滿足技術指標。 3D 圖 生成版圖的 3D圖 步驟： 選擇菜單中的 [EM]—— [3D EM Preview]或點擊圖標 運行，即生成版圖 3D 圖。本文介紹了基于 ADS設計耦合微帶線帶通濾波器的方 法，傳統(tǒng)設計方法因為需要查表及曲線擬合來完成，工作量大，而且設計精度不高。 4 總結與展望 伴隨著微波通信領域技術的飛速發(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，結構簡單，加工方便，成本低等優(yōu)點 。同時給出了設計濾波器的設計實例以及對一些公式作了推導工作?；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，因此在設計時應充分地把材料的這些影響因素考慮進去，使濾波器的設計更趨合理 ]23[ 。本篇論文是在賈老師的悉心指導下完成的。最后我特別要將誠摯的謝意獻給我的家人，感謝他們多年來對我的關心、照顧、理解和支