【正文】 前還不能實現(xiàn)集成化。所以這 也 是設(shè)計 濾波器過程中的一個難題，目前 依然 有很多人在研究這方面。 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。 因此，在無線通信 射頻 系統(tǒng)中， 濾波器 的可靠性和性能是 非常 重要的。 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。因此，微帶發(fā)夾帶通濾波器在微波集成電路具有非常廣泛的應(yīng)用 ]7[ 。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[ 。 隨著通信技術(shù)的不斷進步發(fā)展，通信設(shè)備所用頻率逐日增高，射頻 (RF)和微波 (MW)電路得到業(yè)陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 頁 共 43 頁 界的特別關(guān)注而在通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。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。這 也是未來微波濾波器發(fā)展的趨勢及重要的研究方向。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。但工作在這些頻段的集成濾波器卻朝著與期望的濾波器的性能相反的 方面發(fā)展，所以需要研究使用在這些微波系統(tǒng)中低損耗、低價錢高性能的物美價廉的濾波器?，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)點和不足，因此必須根據(jù)濾波器的實際應(yīng)用場合和工程應(yīng)用目的來選擇不同類型的濾波器。 ADS(Advanced Design system)高級系統(tǒng)設(shè)計是一種支持模塊到系統(tǒng)的由美國安捷 倫公司開發(fā)的一種微波仿真軟件，由于其仿真手段強大且仿真功能豐富多樣，是當(dāng)今通信系統(tǒng)中設(shè)計射頻和微波電路的第一個選擇軟件，它能夠?qū)崿F(xiàn)包括時域頻域、數(shù)字模擬、線性和非線性等很多方面的計算及仿真，并能夠優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，設(shè)計的版圖轉(zhuǎn)化成品的性能分析等，采用 ADS 軟件可以使復(fù)雜電路變得簡單化，提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計時間。因此深受廣大 電子工程設(shè)計師們的喜愛。 ADS 內(nèi)含矩量法，是一種對第三維度進行簡化的電磁場仿真器，非常適合仿真第三維度上均勻變化的結(jié)構(gòu)，例如 電路多 層板，如 PCB，陶 瓷等電路板， 常見無源電路， 如濾 波器等結(jié)構(gòu)。因此在電磁場的數(shù)值計算中應(yīng)用十分廣泛。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 頁 共 43 頁 2微波濾波器基本原理 濾波器有低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器 4 種基本類型 (如圖 )。 （ 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。 微帶線 是 一 根 通過電介質(zhì) 隔離開的 印刷導(dǎo)體 線，其 位于 接地層上 ，是一個 帶狀導(dǎo)線 (信號線）。 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 。 單位長度 的微帶線 它 的傳輸延遲時間 ， 僅取決于陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 4 頁 共 43 頁 介電常數(shù) 和 線路寬度或間距 無關(guān) ]1211[ ? 。 ?????? ??? 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 。 60年代初，微波低損耗的介電材料和微波半導(dǎo)體器件的發(fā)展，形成了微波集成電路，微帶線被廣泛使用，出現(xiàn)了各種類型的微帶線。 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。 在手機電路中，一條特殊的印刷銅線即構(gòu)成一個電感微帶線，在一定條件下，我們又稱其為微帶線。 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。這種結(jié)構(gòu)介質(zhì)厚度為 d，介質(zhì)相對介電常數(shù)為 rε ，在介質(zhì)的下面為公共導(dǎo)體接地板，在介質(zhì)的上面為 2個寬度為 W 、相距為 S 的中心導(dǎo)體帶。 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。 它的輸入和輸出信號有兩種方式： 抽頭式和平行 耦合 式 ，并 由于平行耦合式濾波器具有以下缺點 ： 插入損耗和回波損耗較大 。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[ 。要將 所有 設(shè)計要求轉(zhuǎn)換成實際的濾波器 的 設(shè)計， 則 需要進行 如下操作 : （ 1） 選擇低通濾波器參數(shù)。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 。 （ 3）抽頭位置的確定 抽頭線發(fā)夾諧振器如圖 (a)所示，當(dāng)忽略發(fā)夾型諧振器兩臂間的自耦合的影響，可以得到其等效電路如圖 (b)所示 ]17[ 。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 。h 是指 基片 的 厚度 。 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[ 。 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(dǎo)率 1?Mur 。 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 。 （ 1） 運行 ADS2020,打開 ADS主窗口 。 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],或點圖標(biāo) ，如下圖 所示。 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 。 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 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(dǎo)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(shè)置。 圖 MSUB 參數(shù)設(shè)置 完成設(shè)置的 MSUB控件如圖 。步驟如下： 1) 在原理圖設(shè)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。 2) 選擇 S參數(shù)掃描控件“ SP”，放置在原理圖中。 圖 SParam參數(shù)設(shè)置 圖 “ SP”控件設(shè)置 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 14 頁 共 43 頁 (3) 設(shè)置好參數(shù)，點擊保存。 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 。 陜西理工學(xué)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(yán)重， 與設(shè)計指標(biāo)要求的通帶范圍 距離， 因此必須對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化 。 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)。步驟如下： （ 1） 在原理圖設(shè)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(shè)置優(yōu)化次數(shù)為 200 次 。 如圖 。 圖 “ Optim”控件參數(shù)設(shè)置 （ 3） 接著設(shè)置 4個目標(biāo)控件 “ GOAL” 的參數(shù)： 陜西理工學(xué)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(biāo)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(biāo)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(biāo)控件的參數(shù)如表 其他 3個優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置 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) 按鈕進行優(yōu)化仿真。優(yōu)化結(jié)束后數(shù)據(jù)顯示窗口會自動。最終得到的優(yōu)化結(jié)果如圖 所示。 ? M3為上邊頻 ， M4 為下邊頻 ，帶寬約為 200M，滿足技術(shù)指標(biāo)。 ? 帶內(nèi)波紋小于 3dB滿足技術(shù)指標(biāo)。這樣就完成了原理圖的設(shè)計、仿真和優(yōu)化，并達到了設(shè)計的指標(biāo)的要求。 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之后才能進行電路板的制作。 生成版圖的步驟如下： （ 1） 選擇菜單中的 [Simulate]—— [Update Optimization Values],保存原理圖優(yōu)化后的結(jié)果。 （ 3） 選擇菜單中的 [Layout]—— [Generate/Update Layout]命令，彈出一個設(shè)置窗口， 如圖，可進行起始元器件設(shè)置。 這時彈出“ Status of Layout Generation”窗口，其