【文章內容簡介】 助 ALTERA 公司的 FPGA 器件和 0UARTus 2軟件對設計進行仿真驗證，測試結果完全能滿足系統(tǒng)設計要求。 FPGA 是一種高密度的可編程邏輯器件，但它大部分 是基于 SRAM 編程，在編程時數據信息在系統(tǒng)斷電時會丟失，其編程信息存放于外部存儲器上，且使用方法復雜，保密性差。 綜合上述方法的比較，利用 ADS 軟件進行設計比較好。 基于 ADS 的微帶耦合濾波器設計 5 第二章 關于低通濾波器的設計 低通原型濾波器 濾波器的基本原理 濾波器的基礎是諧振電路，它是一個的二端口網絡 [11]，對頻率適合的信號進行傳輸，對頻率不匹配的信號進行發(fā)射衰減，從而實現(xiàn)信號頻譜過濾。二端口低頻網絡可以使用網絡參數對網絡線性特征進行描述。描述低頻線性網絡輸入和輸出的物理量。 圖 二端 口網絡 常用的低頻網絡參量有四種，分別稱為阻抗參量、導納參量和轉移參量，視具體的應用場合，可選擇一種最適合電路特性的網絡參數。典型的頻率響應包括 低通、高通、帶通、帶阻衰減 ，如下圖所示。 其他型號的 濾波器 一般都可以在 低通濾波器的原型 上 轉化過來。 （ a）低通濾波器頻響曲線 （ b）高通濾波器頻響曲線 基于 ADS 的微帶耦合濾波器設計 6 （ c）帶通濾波器頻響曲線 （ d）帶阻濾波器頻響曲線 圖 濾波器的頻響曲線 在濾波器中，通常采用工作衰減來描述濾波器的衰減特性 [12]。即 dBPPLinlg10L A ? （ ） 式中， Pin 和 PL 分別為輸出端匹配負載時的濾波器輸入功率和負載吸收功率。為了描述衰減特性與頻率的相關性，通常使用數學多項式逼近方法來描述濾波器的特性。濾波器的設計通常需要由衰減特性綜合出濾波器低通原型，再將原型低通濾波器轉換到要求設計的低通、高通、帶通、帶阻濾波器，最后用集總參數元器件實現(xiàn)所涉及的濾波器。 濾波器的主要參數指標 [13]： （ 1）中心頻率 0f ：一般， 20 下上 fff ??。其中， 上f 、 下f 為帶通或帶阻濾波器左右相對下降 3dB 處對應的左右頻點。 （ 2）截止頻率 截頻上f 、 下截頻f ：低通濾波器的通帶右邊的邊頻點及高通濾波器的通帶左邊的邊頻點。 （ 3）通帶帶寬 BW3dB：需要通過的頻譜寬度， 下上 ffBW dB 3 ? 。 （ 4）相對帶寬：用 %10003 ?fBW dB 表示，也常用來表征濾波器的通帶帶寬。 （ 5）插入損耗：引入濾波器對輸入信號帶來的損耗。常以中心頻率或截止頻率處損耗表征。 （ 6）帶內波動 IR? ：通帶內的插入損耗隨頻率變化的波動值。 （ 7）回波損耗：端口信號輸入功率與反射功率之比的分貝數。 基于 ADS 的微帶耦合濾波器設計 7 （ 8）延遲：信號通過濾波器所需要的時間。 低通濾波器的設計指標 具有最平坦的響應 截止頻率為 在為 4MHz 處的插入損耗必須大于 20dB 阻抗為 50 歐 ，采用 6 階巴特沃茲低通原型 [14]，最高實際線阻抗為 120歐，最低實際線阻抗為 20 歐，采用的基片參數為 d=， ?r? ， ?? ，銅導體的厚度 t=。 低通原型濾波器的設計 先計算： ????c?? () 對于 n=6 的曲線，當 ??c?? 時， LA20dB。故最大平坦濾波器級數 n=6。 低通原型值： g1=,g2=,g3=,g4=,g5=，g6=。該低通原型電路如下圖： 圖 濾波器低通原型電路 低通濾波器原理圖設計 設計原理圖 選擇 8 個微帶線 MLIN 添加到原理圖中，并鏈接起來。 基于 ADS 的微帶耦合濾波器設計 8 圖 濾波器原理圖 這樣就完成了濾波器原理圖基本結構，為了達到設計性能，還必須對濾波器中微帶電路的電氣參數和尺寸進行設置。 電路參數設置： 圖 MSUB參數 圖 VAR 參數 參數顯示窗口包含了物理尺寸參數設置欄和電尺寸參數設置欄。如果電尺寸數據確定，則單擊 Synthesize 按鈕可得到物理尺寸；如果物理尺寸數據確定，則單擊 Analyze 按鈕可得到電尺寸參數。 電尺寸參數： Z0=50Ohm，表示微帶線特性阻抗為 50Ohm E_Eff=90deg，表示微帶線的電長度為 90deg 基于 ADS 的微帶耦合濾波器設計 9 表 1 各枝節(jié)的寬度和長度 節(jié)數 gi Zi=Zl 或 Zh（ Ω ） li(度 ) Wi（ mm） li（ mm） 1 1 50 90 2 20 3 120 4 20 5 120 6 20 7 120 8 1 50 90 電路參數設置的原理圖： 將 MSUB 和 VAR 放置在原理圖上后即可進行參數的修改，這樣便完成了電路參數 設置的原理圖。 圖 電路參數設置的原理圖 仿真參數設置和原理圖仿真 仿真參數設置 [15]: (1)在原理圖設計窗口選擇 S 參數仿真元器件面板 “ SimulationS_Param” ，并選擇終端負載 TERM 放置在濾波器的兩個端口上。 (2)在電路原理圖中插入兩個地，并連接好電路原理圖。 (3)選擇一個 S 參數仿真控制器放入到原理圖中。 (4)設置 S 參數仿真控制器的參數： Start=0GHz； Stop=5GHz； Step=。 基于 ADS 的微帶耦合濾波器設計 10 圖 完成 S 參數仿真設置的原理圖窗口 以上 為低通原型濾波器的設計 [16]，此設計共放置八個 MLIN 節(jié)，在原理圖中應注意有關于參數的設置，注意兩端 TERM 下均有一個接地。因為其他濾波器都是由低通濾波器轉化過來的，所以接下來就可以以低通原型濾波器為原型設計一個平行微帶耦合濾波器。 原理圖仿真 根據設計進行 S 參數的仿真，等仿真結束后在數據窗口添加 S21 參數的矩形圖，并插入一個標記，然后添加 S11 參數的矩形圖，插入一個標記。 圖 濾波器的 S2 S11 參數曲線 基于 ADS 的微帶耦合濾波器設計 11 第三章 平行微帶耦合濾波器的設計 傳輸線理論 微帶線 的結構及傳輸模式 微帶線主要由三部分組成：最上面是寬度為 W，高度為 t 的導帶體，下層是接地板，制作底層接地板的材料一般釆用 (如銀、金、銅 )這些導電性能比較的金屬材料良好的材料 ,中間部分用介質基板填充，這種填充介質的介電常數為r? ，接地板的厚度用 h 表示。 圖 微帶線結構 耦 合微帶線及其傳輸模式 上面已經對微帶線做了詳細的闡述 [17]，在微波電路中，平行耦合線就是在微帶線中加一條與原來微帶線一樣并且平行的導帶。平行耦合微帶線的作用非常多，例如組成振蕩 回路、偏置電路、定向耦合器等基礎的元器件 [18]，還能夠根據它的特性組成類型不同、形狀不同、結構不同的濾波器。耦合微帶線由以下三部分構成：上面是兩條平行的金屬導帶，寬均為 W，高度為 t，兩條金屬導帶的距離為 S，下層是接地板 ,制作底層接地板的材料一般采用 (如銀、金、銅 )這些導電性能比較的金屬材料良好的材料，中間部分用介質基板填充，這種填充介質的介電常數為 r? ,接地板的厚度用 h 表示。 圖 平行耦合微帶線結構 基于 ADS 的微帶耦合濾波器設計 12 傳輸線的基本特性參數 傳輸線的基本特性參 數包括傳輸線的特性阻抗、反射系數、駐波比、輸入阻抗、傳輸常數和傳輸功率等等 [19]。微帶線是目前射頻微波中使用最多最常見的傳輸線，是平面型結構，在 PCB(Printed Circuit Board，印制電路板 )上可以通過使用蝕刻電路技術制作，方便與各種射頻元器件外連接從而實現(xiàn)不同的電路，可以在一塊共有的介質基片上實現(xiàn)完整電路的制作，使射頻部件及微波系統(tǒng)向高集成度、小型化方向發(fā)展。 微帶線的有效介電常數 微帶線導體帶的上方為空氣，下面為介質，然后假設一種微帶線，這個微帶線全部填充等效介質， )1( rrere ??? ?? 為這種等效介質的相對介電常數，等效微帶線和現(xiàn)實的微帶線有同樣的特征阻抗與相速度，這個等效關系由 er? 決定 微帶線的有效相對介電常數的近似計算公式為 [20]： 21re22112221212121???????? ??????????????????? ???????? ??????????????hhhrrrrre hh???? （ ） 式中 W 表示導體帶寬度， h 表示介質基板厚度。 微帶線的特性阻抗 Z0 根據上面的 er? ，能夠獲得 Z0 近似計 算公式： ???????????? ?????????? ??12048ln6000hhZhhZrere??????? hh???? （ ） 在給定微帶線的特性阻抗 Z0 和相對介電常數 r? 后，也可以求出 w/h 的值。w/h 值的 計算公式為： 基于 ADS 的微帶耦合濾波器設計 13 22??hh?? （ ） 式中： ???????? ?????? rrrrZA ???? 160 0 ， rZB ??02377? （ ） 微帶線的傳輸特性 微帶線的傳輸模式為準 TEM 模，但是微帶下的傳輸特性按照 TEM 模近似計算。在 TEM 波傳輸中，波的常數在忽略損耗時 ?? j? ，其中e????02? ， λ0 為自由空間波長，微帶線同其他 TEM 類型傳輸線相同，波的速度同樣滿足關系式???PV，將 f?? 2? 代入得到微帶線的相速度和波長rePcV ?? ，reP ??? ? 。 4 微帶線的損耗與衰減 損耗是傳輸線的重要傳輸特性之一，不僅存在于同軸線、波導中，也同樣存在于微帶線中，并且由于微帶線的不封閉結構，微帶線的損耗遠大于同軸線