【正文】 導(dǎo)線，它是一條置于兩層導(dǎo)電平面之間的電介質(zhì)中間的銅帶線。如果線的厚度和寬度、介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩層導(dǎo)電平面間的距離是可控的，那么線的特性阻抗也是可控的。 與金屬波導(dǎo)相比， 微帶線 體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等；但損耗稍大，功率容量小。一般用薄膜工藝制造 [13] 。導(dǎo)體應(yīng)具有導(dǎo)電率高、穩(wěn)定性好、與基片的粘附性強等特點。 波形的仿真及優(yōu)化都是在 ADS 軟件中進(jìn)行的。 奇模 和偶模特征阻抗 當(dāng)多根傳輸線相互之間靠得很近的時候 ,傳輸線之間的電場和磁場將互相交互作用的更為復(fù)雜 ,傳輸在線的信號切換 (switching)狀態(tài)決定了以何種模式的傳輸 ,這種相互作用的重要性在于會改變傳輸線有效的特性阻抗和傳輸速率 [14] ,特別是當(dāng)很多非?？拷膫鬏斁€同時切換 ,這種現(xiàn)象尤為嚴(yán)重 ,它會使總線出現(xiàn)特性阻抗和延遲時間產(chǎn)生變化 ,從而影響總線的傳輸效能 .因此 ,在系統(tǒng)設(shè)計中必須考慮到這些方面的影響 。 此情 況下 ,傳輸線的等效電容增大 ,但是等效電感變小 。 此情況下 ,傳輸線的等效電容減小 ,但是等效電感增大 。 10 167。微波網(wǎng)絡(luò)理論是微波工程強有力的工具，主要研究微波網(wǎng)絡(luò)各端口的物理量之間的關(guān)系，實際的微波 /射頻濾波器也是用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量。 雙口元件 [15]是在微波工程中應(yīng)用最多的一種元件，主要有濾波器、移相器、衰減器等。 幾乎所有的微波元件都可以由一個網(wǎng) 絡(luò)來代替，并且可以用網(wǎng)絡(luò)端口參考面上的變量來描述其特性（在傳輸線上端口所在的位置，與能流方向垂直的橫截面通常稱為 “ 參考面 ” ）。 微波網(wǎng)絡(luò)有不同的網(wǎng)絡(luò)參量：阻抗參量 Z、導(dǎo)納參量 Y 和 A參量反映的是參考面上電壓與電流的關(guān)系；散射參量 S、傳輸參量 T反映的是參考面上歸一化入射波電壓和歸一化反射波電壓之間的關(guān)系。利用 S參 量 ，射頻電路設(shè)計者可以在避開不現(xiàn)實的終端條件以及避免造成待 測器件損壞的前提下，用兩端口網(wǎng)絡(luò)的分析方法來確定幾乎所有射頻器件的特征，故 S參量是微波網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的一種主要參量。設(shè) an表示第n個端口的歸一化入射波電壓， bn表示第 n個端口的反射波歸一化電壓。 對 S11的模取對數(shù)就可以得到以 dB為單位的回波損耗 [16]： 11log20)(Re SdBtur nL o ss ?? （ 36） 另外 2端口的電壓與信號 源的電壓有直接關(guān)系，所以 S21可以用來表示網(wǎng)絡(luò)的正向電壓增益： 2222102sVVSG ?? （ 37） S參量是射頻電路中最常用的參量，由于 S參量很適合描述射頻電路的相關(guān)性能參數(shù)，因此在射頻電路中有著十分廣泛的作用，是本次設(shè)計所要求的重要指標(biāo)。 ADS介紹及優(yōu)化原則 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng) (Advanced Design System)，簡稱 ADS，是安捷倫科技有限公司(Agilent)為適 應(yīng)競爭形勢，為了高效的進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)，而設(shè)計開發(fā)的一款 EDA軟件。 在進(jìn)行優(yōu)化時，本次主要針對的目標(biāo)是 S參數(shù)， S 參數(shù)是入射波和反射波建立的一組現(xiàn)性關(guān)系，在微波電路中通常用來分析和描述網(wǎng)絡(luò)的輸入特性。 13 第 4章 帶通 濾波器的 設(shè)計 與優(yōu)化 微帶帶通濾波器是一種被廣泛研究的微波濾波器類型 ，它的品種繁多，性能各異，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一 [。下面是本人設(shè)計的濾波器的流程圖： 圖 41 設(shè)計流程圖 L表示 微帶線長 ， W表示線寬， S表示微帶線導(dǎo)體帶的間隔。 設(shè)計指標(biāo) 通帶 － 2GHz，帶內(nèi)衰減小于 2dB，起伏小于 1dB。 167。這兩項是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性能和種類 (高通、低通、帶通、帶阻等 )。 圖 42 微帶帶通濾波器模型及其等效電路圖 在進(jìn)行設(shè)計時，主要是以濾波器的 S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真。 S11(S22)參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，由它可以換算出輸入、輸出端的電壓駐波比。 低通濾波器原型的參數(shù)的計算 首先根據(jù)濾波器參數(shù)指標(biāo)，計算出濾波器低通歸一化頻率 15 0039。 ????????? ????? ffffff fLH?? 通帶衰減為 2分貝，故選用 2dB 波紋的切比雪夫低通濾波器原型，其阻帶衰減特性圖如圖 42： 圖 43 2dB波紋的切比雪夫低通濾波器的阻帶衰減特性 故可知 濾波器級數(shù) N=3，同時切比雪夫濾波器元件參數(shù)表 如圖 43： 圖 44 切比雪夫低通濾波器元件數(shù)值 可知具有帶內(nèi)波紋 2dB 的 3階切比雪夫標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù) g0=g4=， 16 g1=g3=， g2=。 10101 2 ggFBWYJ π?? (41) 110 2?? ?iii ggFBWYJ π (42) 1n10 g2?? ?nn gFBWYJ π (43) 上式中 10gg ? 1?ng 是低通原型濾波器的歸一化值 。利用下面的公式 (44)、 (45)計 算出奇偶模特性阻抗。此 17 種濾波器的結(jié)構(gòu)形式使相鄰的半波長諧振單元彼此平行排列，其耦合值的大小通過相鄰平行耦合線間的距離來決定。 ADS軟件中的工具 tools，可以對不同類型的傳輸線進(jìn)行計算。 根據(jù)所求得奇偶模特性阻抗利用 ADS軟件 Linecalc來計算微帶尺寸，將窗口里的參數(shù)修改為所給 定的基板參數(shù)，并注意長度單位為 mm，同時修改 Type為 MCLIN 以及中心頻率為 。 將 4節(jié)微帶線的尺寸修改為上述計算出的數(shù)字 ，并設(shè)置 參數(shù)仿真控制器的 掃頻參數(shù)，進(jìn)行原理圖仿真，其 原理圖 如圖 45所示 ： 圖 46 微帶帶通濾波器原理圖 上圖中， Mcfil是平行耦合線，是濾波器的主要結(jié)構(gòu)，它的長 L約為四分之一波長 (根據(jù)中心頻率用微帶線計算工具算出 )，其主要參數(shù)就是以上計算的 W、 S、 L； Mlin是普通微帶線，是特性阻抗為 50歐姆的微帶線，它的寬度 W可由微帶線計算工具 Linecalc得到線寬 ； MUSB是微帶線參數(shù)設(shè)置控件； SPARAMETERS是 S參數(shù)仿真控制器。 19 167。這是由于在設(shè)計平行耦合微帶帶通濾波器時沒有考慮邊緣場效應(yīng)的 影響，為此需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化控制器參數(shù)。 首先修改原理圖中耦合微帶線的取值方式，將平行耦合微帶線段的導(dǎo)體帶寬度 W、兩個導(dǎo)體帶間隔 S和耦合微帶線的長度 L設(shè)為變量，并設(shè)置好 4個平行耦合微帶線的尺寸，其中 CLin1的尺寸設(shè)計如圖 48所示，其他的根據(jù)結(jié)構(gòu)上的對稱關(guān)系類推： 21 圖 49 CLin1尺寸設(shè)置 之后插入變量控件， 針對每個變量設(shè)置其優(yōu)化范圍，具體圖示如圖 49所示： 圖 410 變量控件設(shè)置 22 然后在原理圖設(shè)計窗口中選擇一個優(yōu)化控件 Optim插入到原理圖中，并同時在元件面板列表中選擇 3個優(yōu)化目標(biāo)控件 GOAL插入其中，優(yōu)化目標(biāo) 1針對通帶，優(yōu)化目標(biāo) 2和優(yōu)化目標(biāo) 3針對阻帶衰減。依次對每個優(yōu)化控件設(shè)置完成后，最終的優(yōu)化原理圖如圖 411所示： 23 圖 412 優(yōu)化原理圖 如果一次優(yōu)化不能滿足設(shè)計指標(biāo)要求，則需要改變變量的取值范圍，進(jìn)行重新優(yōu)化，直到滿足要求為止；在每次優(yōu)化完成后，要在原理圖窗口中保存優(yōu)化后的變量值。再次對優(yōu)化后的微帶原理電路進(jìn)行仿真就可以得到比較滿意的濾波器傳輸和反射曲線如圖 412 及 413 所示： 24 圖 413 優(yōu)化后 s(1,2)仿真曲線 25 圖 414優(yōu)化后 s(1,1)仿真曲線 可以從仿真信息窗口中得到符合要求的濾波器的各參數(shù)的確定值如圖 414所示： 圖 415 仿真狀態(tài)窗口 CurrentEF=0 表示達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。 167。因此，需要在 ADS中對版圖進(jìn)行進(jìn)一步的仿真后才能進(jìn)行電路板的制作。所以在版圖仿真前要看一下相鄰各耦合線節(jié)的微帶線寬是否相差過大，如果相差過大就會造成原理圖和版圖仿真有較大的差別，這就需要改變變量初值重新進(jìn)行優(yōu)化。版圖仿真曲線如圖 418所示： 圖 419 版圖 仿真曲線 167。另外，在設(shè)計過程中，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)字漏一位的情況，對結(jié)果造成嚴(yán)重影響，希望自己以后能夠更加細(xì)心，避免浪費過多的時間。此次設(shè)計中主要是做了以下內(nèi)容： ，了解微帶濾波器的理論知識，并在用軟件設(shè)計濾波器之前計算出濾波器的階數(shù)、微帶線的奇偶模阻抗和各節(jié)尺寸。 ADS軟件中實現(xiàn)對濾波器原理圖的優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為通帶衰減和阻帶衰減，并通過對微帶線尺寸的修改體現(xiàn)出 來。 ADS軟件中對完成優(yōu)化的原理圖進(jìn)行版圖仿真，這個過程也包括版圖的生成及仿真，在一次版圖仿真不能達(dá)到要求的情況下，返回原理圖繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，直到版圖仿真也達(dá)到要求的范圍為止。我會在以后的學(xué)習(xí)中更加努力，在這個方面進(jìn)行更加深入的學(xué)習(xí)，繼續(xù)研究微帶濾波器方面的內(nèi)容，提高其工作性能及實用性，使微帶濾波器更加