【文章內(nèi)容簡介】 第 7 頁 共 43 頁 ?? gg3 微帶發(fā)夾型帶通濾波器的設計實例及過程 ]19[ 器設計指標要求 （ 1） 中心頻率 ： GHz； （ 2） 帶寬 200 MHz； （ 3） 通帶波紋 3dB； （ 4） 在頻率 . 和 處， 頻率 衰減 ≥20dB； （ 5） 輸入輸出特性阻抗為 50Ω 。 在 GHz時的 微帶線 參數(shù)為 : （ 1） 介電常數(shù) ?rε ； （ 2） 基板厚度 10?h mil； （ 3） 損耗正切角 0tan ?D ； （ 4） 相對磁導率 1?Mur 。 通過頻率變換公式計算得到歸一化中心頻率為 1. 96 GHz 且 獲得 20 dB衰減，濾波器的階數(shù)至少為 3， 為了能更好的達到濾波器的指標 要求 ，本文采用濾波器的階數(shù)為 5 的 3dB 波紋切比雪夫低通原型 ]20[ ，根據(jù)表 ， 求得低通濾波器原型的原件取值為 ]14[ ： ?? gg ?g ?? gg 表 切比雪夫濾波器原件參數(shù)（ 3dB 波紋， N=1,2,3,...,8） N 1g 2g 3g 4g 5g 6g 7g 8g 9g 1 2 3 4 5 6 7 8 下面根據(jù)式 ()，計算出各階藕合微帶線的奇偶模阻抗，并利用 ADS 自帶的傳輸線 Linecalc計算工具，如圖 。 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 。 表 各階耦合微帶線參數(shù)列表 階數(shù) i 偶模阻抗（ 1, ?ii ） 奇模阻抗（ 1, ?ii ） 發(fā)夾間距 S /mm 微帶線寬 W /mm 微帶線長 L /mm 0 1 2 3 4 5 由式 ()計算出，濾波器的抽頭位置約為 11 mm。 （ 1） 運行 ADS2020,打開 ADS主窗口 。 執(zhí)行菜單命令 [File] [New] [Workspace]，或點圖標創(chuàng)建一個工程 文件， 如下圖 。 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 ADS 原理圖窗口 （ 3） 在原理圖設計窗口中選擇 TLinesMicrostrip 元件面板列表，并選擇 27 個 MLIN、 10 個MLOC、 10個 MCURVE、 4個 Mclin、 2個 MTEE、 1個 MSUB如下圖 。 圖 原件圖 （ 4） 打開原件庫，選擇 SimulaionS_param庫，添加 2 個 Term 原件 ， 再加兩個接地，用線連接原件，構(gòu)成完整電路原理圖，如下圖 。 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 10 頁 共 43 頁 圖 電路原理圖 （ 5） 用鼠標雙擊原件 MLIN,依次修改原件參數(shù)，如下圖 。 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 。 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 11 頁 共 43 頁 圖 Mclin參數(shù)設置 （ 7） 用鼠標雙擊原件 MLOC、 MCURVE、 MTEE 依 次修改原件參數(shù) ， 完成參數(shù)后電路原理圖如下 圖 所示 。 圖 微帶抽頭線發(fā)夾型帶通濾波器的原理圖 由于微帶線是由覆蓋 在 電介質(zhì)表面上的金屬材料 構(gòu)成 ，不同的金屬材料和 介質(zhì)材料的電氣特性導致 相同尺寸 的 微帶線的特性阻抗不同，所以需要 對微帶線的進行 參數(shù)設置。微帶線的參數(shù)設置方法如下： 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 12 頁 共 43 頁 （ 1） 將 抽頭位置和表 2中的結(jié)構(gòu)尺寸輸入 ADS中相對應的耦合微帶線處； （ 2） 在微帶線器件面板中找到微帶線參數(shù)設置控件 MSUB，將其插入到電路原理圖中； 雙擊微帶線參數(shù)設置控件，彈出參數(shù)設置窗口，按照以下內(nèi)容進 行設置： ? H=10mil，表示微帶線介質(zhì)基片厚度為 10mil ? Er=，表示微帶線介質(zhì)基片相對介電常數(shù)為 ? Mur=1，表示微帶線介質(zhì)基片磁導率為 1 ? Cond=+50，表示微帶線金屬片的電導率為 +50 ? Hu=+033mm，表示微帶電路的封裝高度為 +033 mm ? T=0，表示微帶線金屬片的厚度為 0 ? TanD=0mil，表示微帶線的損耗角正切為 0mil ? Roungh=0mm，表示微帶線的表面粗糙度為 0 mm 雙擊 MSUB原件，設置 基板參數(shù) 如圖 。 圖 MSUB 參數(shù)設置 完成設置的 MSUB控件如圖 。 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 13 頁 共 43 頁 圖 MSUB 控件設置 原理圖設計完成后，接下來進行原理圖仿真，根據(jù)設計的指標要求，主要是對它的 S參數(shù)進行仿真和分析。步驟如下： 1) 在原理圖設計窗口中選擇 S 參數(shù)仿真元件面板“ SimulationS_Param”，選擇“ Term”放置在功率分配器 2個端口上，用來定義端口 1和 2。單擊工具欄中的 接地 圖標，放置 2個“地”，連接好電路原理圖。 2) 選擇 S參數(shù)掃描控件“ SP”，放置在原理圖中。 雙擊 SParam， 設置掃描類型（ Sweep Type）為線性（ Linear），并設置掃描的頻率范圍為 ，步長選擇為 ，如圖 示， 完成設置的 “ SP” 控件如圖 。 圖 SParam參數(shù)設置 圖 “ SP”控件設置 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 14 頁 共 43 頁 (3) 設置好參數(shù)，點擊保存。然后 單擊工具欄中的 [Simulate]按鈕進行仿真 ，如圖 。 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 仿真面板設置 (6)單擊【 OK】按鈕，返回“ Plot Traces ＆ Attributes”對話框，單擊【 OK】按鈕， 會顯示 仿真結(jié)果如圖 。 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 15 頁 共 43 頁 圖 傳輸、反射系數(shù)曲線圖 經(jīng)過分析仿 真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了基本的濾波器形狀， S(1,1)參數(shù)矩形圖表明 ， 此時的中心頻率在 ， 中心頻率點偏移非常嚴重， 與設計指標要求的通帶范圍 距離， 因此必須對相關參數(shù)進行優(yōu)化 。 利用 ADS中 Optim控件和目標控件 Goal，設置優(yōu)化目標，然后進行仿真得到優(yōu)化結(jié)果 步驟如下： 1) 修改 耦合 微帶線段的取值方式，將 耦合 微帶線段兩個導體帶的間隔 S和耦合微帶線的長度 L設置為變量，并設置相鄰耦合微帶線的尺寸，分別在 圖 參數(shù)。 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)。 完成 S和 L的范圍設定后，還需要選擇優(yōu)化方式陜西理工學院畢業(yè)論文 第 16 頁 共 43 頁 和優(yōu)化目標。步驟如下： （ 1） 在原理圖設計窗口中選擇優(yōu)化工具欄， 插入 優(yōu)化控件“ Optim” 雙擊優(yōu)化控件 Optim，設置優(yōu)化次數(shù)為 200 次 。 （ 2） 設置優(yōu)化方法為隨機 (Random)或者梯度 (Gradient)等，隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂 ，此次優(yōu)化方法比較適合隨機 (Random)。 如圖 。 圖 Optim 控件參數(shù)設置 完成設置的 “ SP” 控件如圖 。 圖 “ Optim”控件參數(shù)設置 （ 3） 接著設置 4個目標控件 “ GOAL” 的參數(shù)： 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 17 頁 共 43 頁 ? 在“ Expr”項中輸入表達式“ dB(S(1,1))”，表示優(yōu)化的目標是端口 1反射系數(shù)的 dB值； ? 在“ SimInstanceName” 項中輸入“ SP1”，表示是針對 S參數(shù)仿真 SP1進行的優(yōu)化； ? LimitMax=20，表示優(yōu)化的目標是 dB(S(1,1))不超過 20dB； ? Min值不添，這是由于 S(1,1)的值越小越好； ? Weight100， 說明 優(yōu)化 11S 的參數(shù) 比較重要 ； ? RangeVar[1]=“ freq”，表示優(yōu)化是在一定的頻率范圍內(nèi)進行的； ? RangeMin[1]=，表示頻率優(yōu)化范圍的最小值為 ； ? RangeMax[1]=，表示頻率優(yōu)化范圍的最大值為 ； ? 其余 3個優(yōu)化目標控件的參數(shù)如表 其他 3個優(yōu)化目標的設置 如圖 。 表 其他 3 個優(yōu)化目標的參數(shù)設置 圖 完成設置的目標控件 完成優(yōu)化設置后， 點擊保存 ， 最后所得的優(yōu)化原理圖如圖 。 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。優(yōu)化過程中系統(tǒng)會自動打開一個狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化結(jié)果，其中的“ CurrentEF”表示與優(yōu)化目標的偏差，當它的值減小到 0的時候表示達到了優(yōu)化目標 .如下圖 (a)、 (b)所示。優(yōu)化結(jié)束后數(shù)據(jù)顯示窗口會自動。由于選擇的優(yōu)化方法是隨機 (Random)，因此每次 優(yōu)化的結(jié)果都會有所不同甚至相去甚遠，所打開以要不斷改變參數(shù)的值，多次進行優(yōu)化，直至得到跟所需要的優(yōu)化結(jié)果最接近的數(shù)據(jù)為止。最終得到的優(yōu)化結(jié)果如圖 所示。 圖 優(yōu)化圖（ a） 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 19 頁 共 43 頁 圖 優(yōu)化圖（ b） 圖 優(yōu)化后的 S 參數(shù)曲線圖 由圖 ： ? 中心頻率為 ，滿足技術指標。 ? M3為上邊頻 ， M4 為下邊頻 ，帶寬約為 200M，滿足技術指標。 ? 在 GHz和 20dB滿足技術指標。 ? 帶內(nèi)波紋小于 3dB滿足技術指標。 綜上可以看出，帶內(nèi)波動很小，而在 4. 6 GHz處和 5. 0 GHz處只能達到 20 dB的衰減，而在 GHz左右能達到 40 dB的衰減，這是該濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。這樣就完成了原理圖的設計、仿真和優(yōu)化，并達到了設計的指標的要求。但是在實際應用中還是會發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實際設計的電路指標有很大差別，因此必須在原理圖設計與電路制作中對版圖進行仿真，以進一步保證結(jié)果符合陜西理工學院畢業(yè)論文 第 20 頁 共 43 頁 設計要求。 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(jié)果有很大差別，因此需要在 ADS 中對版圖進行進一步的仿真