實驗四

射頻濾波器設計、仿真、制作與測試2/6/20231MW&Opti.Commu.Lab,XJTU一、濾波器原理如圖所示的雙端口網絡,設從一個端口輸入一具有均勻功率譜的信號,信號通過網絡后,在另一端口的負載上吸收的功率譜不再是均勻的,也就是說,網絡具有頻率選擇性,這便是一個濾波器。通常采用工作衰減來描述濾波器的衰減特性：Pin和PL分別為輸出端接匹配負載時的濾波器輸入功率和負載吸收功率。1.1濾波器的概念2/6/20232MW&Opti.Commu.Lab,XJTU低通帶阻高通帶通2/6/20233MW&Opti.Commu.Lab,XJTU三種濾波器函數(shù)2/6/20234MW&Opti.Commu.Lab,XJTU1.2濾波器的技術指標（1）工作頻率：濾波器的工作頻率范圍（2）插入損耗：由于濾波器的介入,在系統(tǒng)內引入的損耗（3）

帶內紋波：插入損耗的波動范圍（4）帶外抑制:規(guī)定濾波器在什么頻率上會阻斷信號,是濾波器特性的矩形度的一種描述方式。也可用帶外滾降來描述,就是規(guī)定濾波器通帶外每多少頻率下降多少分貝。（5）承受功率：在大功率發(fā)射機末端使用的濾波器要按大功率設計,元件體積要大,否則,會擊穿打火,發(fā)射功率急劇下降。2/6/20235MW&Opti.Commu.Lab,XJTU1.3濾波器的設計的經典方法低通原型綜合法步驟：（1）由衰減特性綜合出低通原型（2）再進行頻率變換，變換成所設計的濾波器類型（3）計算濾波器電路元件值（4）微波結構實現(xiàn)電路元件，并用微波微波仿真軟件進行優(yōu)化仿真。2/6/20236MW&Opti.Commu.Lab,XJTU1.4濾波器的低通原型濾波器低通原型為電感電容網絡,其中元件數(shù)和元件值只與通帶結束頻率、衰減和阻帶起始頻率、衰減有關。設計中都采用表格而不用繁雜的計算公式。巴特沃士、切比雪夫的低通原型電路結構2/6/20237MW&Opti.Commu.Lab,XJTU1.巴特沃士：已知帶邊衰減為3dB處的歸一化頻率Ωc=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率Ωs,則元件數(shù)n由下式給出,元件值由下表給出。2/6/20238MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2.切比雪夫，已知帶內衰減與波紋指標LAr、歸一化頻率Ωc=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率Ωs,則元件數(shù)n由下式給出,元件值由下表給出。2/6/20239MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202310MW&Opti.Commu.Lab,XJTU1.5濾波器的四種頻率變換由低通原型濾波器經過頻率變換,就可得到低通、高通、帶通、帶阻四種實用濾波器。定義阻抗因子為低通變換：2/6/202311MW&Opti.Commu.Lab,XJTU高通變換：帶通變換：2/6/202312MW&Opti.Commu.Lab,XJTU帶阻變換：2/6/202313MW&Opti.Commu.Lab,XJTU 例：設計一個L-C切比雪夫型低通濾波器,截止頻率為75MHz,衰減為3dB,波紋為1dB,頻率大于100MHz,衰減大于20dB，Z0=50Ω。二、集總參數(shù)濾波器（1）確定指標:特性阻抗Z0=50Ω,截止頻率fc=75MHz,阻帶邊頻fs=100MHz,通帶最大衰減LAr=3dB,阻帶最小衰減LAs=20dB。（2）計算元件級數(shù)n：n取最接近的整數(shù),則n=5（3）查表求原型元件值gi,2/6/202314MW&Opti.Commu.Lab,XJTU低通變換：（4）計算實際元件值2/6/202315MW&Opti.Commu.Lab,XJTU（5）畫出電路結構，進行電路仿真2/6/202316MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202317MW&Opti.Commu.Lab,XJTU例2：設計一個L-C切比雪夫型帶通濾波器,中心頻率為75MHz,3dB帶寬為10MHz,波紋為1dB,工作頻帶外75±15MHz的衰減大于30dB,Z0=50Ω。（1）確定指標:特性阻抗Z0=50Ω,截止頻率fc=75MHz,阻帶邊頻fs=100MHz,通帶最大衰減LAr=3dB,阻帶最小衰減LAs=20dB。特性阻抗： Z0=50Ω上通帶邊頻：

f1=75+5=80MHz下通帶邊頻：

f2=75-5=70MHz上阻帶邊頻： f=75+15=90MHz下阻帶邊頻： f=75-15=60MHz

通帶內最大衰減： LAr=3dB

阻帶最小衰減： LAs=30dB（2）計算相關參數(shù)2/6/202318MW&Opti.Commu.Lab,XJTU（3）計算元件節(jié)數(shù)nn取整數(shù)3（4）查表得原型元件值gi（5）帶通變換2/6/202319MW&Opti.Commu.Lab,XJTU（6）畫出電路，進行仿真2/6/202320MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202321MW&Opti.Commu.Lab,XJTU三、分布參數(shù)濾波器高、低阻抗線低通濾波器枝節(jié)線低通濾波器2/6/202322MW&Opti.Commu.Lab,XJTU七節(jié)切比雪夫濾波器2/6/202323MW&Opti.Commu.Lab,XJTU三節(jié)端耦合微帶帶通濾波器2/6/202324MW&Opti.Commu.Lab,XJTU平行耦合諧振單元帶通濾波器2/6/202325MW&Opti.Commu.Lab,XJTU發(fā)卡式帶通濾波器2/6/202326MW&Opti.Commu.Lab,XJTU同軸腔體低通濾波器2/6/202327MW&Opti.Commu.Lab,XJTU多層左右手復合傳輸線濾波器2/6/202328MW&Opti.Commu.Lab,XJTU例：設計一個三階微帶低通濾波器,截止頻率f1=1GHz,通帶波紋為0.1dB,阻抗Z0=50Ω。（1）三節(jié)低通原型元件值為g0=g4=1,g1=g3=1.0316,g2=1.1474。2/6/202329MW&Opti.Commu.Lab,XJTU（2）進行低通變換（3）微帶實現(xiàn)，微帶高低阻抗線。高阻抗線近似于電感,低阻抗線近似于電容。取高、低阻抗線的特性阻抗分別為Z0L=93Ω,Z0C=24Ω。微帶基板參數(shù)：相對介電常數(shù)：10.8

板材厚度：1.27mm

用ADS微帶線計算工具計算微帶線的參數(shù)。2/6/202330MW&Opti.Commu.Lab,XJTU高、低阻抗線的物理長度可以由以下公式得到：上式中沒有考慮低阻抗線的串聯(lián)電抗和高阻抗線的并聯(lián)電納?？紤]這些因素的影響,高、低阻抗線的長度可調整為：2/6/202331MW&Opti.Commu.Lab,XJTU（4）建模仿真2/6/202332MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202333MW&Opti.Commu.Lab,XJTU作業(yè)：對下面結構的微帶枝節(jié)低通濾波器的兩種設計進行原理圖和版圖仿真，并分析其特性?？紤]終端效應的終端開路微帶分支線控件：微帶線控件：2/6/202334MW&Opti.Commu.Lab,XJTU例：設計一平行耦合線帶通濾波器，其設計指標為：通帶3.0－3.1GHz，帶內衰減小于2dB，起伏小于1dB，2.8GHz以下及3.3GHz以上衰減大于40dB，端口反射系數(shù)小于-20dB。2/6/202335MW&Opti.Commu.Lab,XJTU（1）打開ADS，建立工程（2）生成原理圖在原理圖設計窗口中選擇微帶電路的工具欄2/6/202336MW&Opti.Commu.Lab,XJTU在工具欄中選擇耦合線Mcfil

、微帶線MLIN以及控件MSUB分別放置在繪圖區(qū)中，選擇畫線工具將電路連接好.2/6/202337MW&Opti.Commu.Lab,XJTU（3）設置微帶電路的基本參數(shù)雙擊圖上的控件MSUB設置微帶線參數(shù)H:基板厚度(0.8mm)Er:基板相對介電常數(shù)(4.3)Mur:磁導率(1)Cond:金屬電導率(5.88E+7)Hu:封裝高度(1.0e+33mm)T:金屬層厚度(0.03mm)TanD:損耗角正切(1e-4)Roungh:表面粗糙度(0mm)2/6/202338MW&Opti.Commu.Lab,XJTU（4）用微帶線計算工具計算50ohm、四分之一波長微帶寬度和長度2/6/202339MW&Opti.Commu.Lab,XJTU（5）設置微帶器件的參數(shù)雙擊兩邊的引出線TL1、TL2，分別將其寬與長設為1.52mm和2.5mm(其中線長只是暫定，以后制作版圖時還會修改)。平行耦合線濾波器的結構是對稱的，所以五個耦合線節(jié)中，第1、5及2、4節(jié)微帶線長L、寬W和縫隙S的尺寸是相同的。耦合線的這些參數(shù)是濾波器設計和優(yōu)化的主要參數(shù)，因此要用變量代替，便于后面修改和優(yōu)化。雙擊每個耦合線節(jié)設置參數(shù)，W、S、L分別設為相應的變量，單位mm，其中的W1與W2參數(shù)代表該器件左右相鄰兩側的微帶器件的線寬，它們用來確定器件間的位置關系。在設置W1、W2時，為了讓它們顯示在原理圖上，要把Displayparameteronschematic的選項勾上。2/6/202340MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202341MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202342MW&Opti.Commu.Lab,XJTU（6）添加變量單擊工具欄上的VAR圖標，把變量控件VAR放置在原理圖上，雙擊該圖標彈出變量設置窗口，依次添加各耦合線節(jié)的W，L，S參數(shù)。在name欄中填變量名稱，VariableValue欄中填變量的初值，點擊Add添加變量，然后單擊Optimization/StatisticsSetup…按鈕設置變量的取值范圍，其中的Enabled/Disabled表示該變量是否能被優(yōu)化（見下頁圖）。耦合線節(jié)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)，微帶線和縫隙的寬度最窄只能取0.2mm(最好取0.5mm以上)。2/6/202343MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202344MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202345MW&Opti.Commu.Lab,XJTU（7）S參數(shù)仿真電路設置2/6/202346MW&Opti.Commu.Lab,XJTU（7）優(yōu)化目標的設置2/6/202347MW&Opti.Commu.Lab,XJTU優(yōu)化方式控件Optim設置OptimGoal1設置2/6/202348MW&Opti.Commu.Lab,XJTUOptimGoal2設置OptimGoal3設置2/6/202349MW&Opti.Commu.Lab,XJTUOptimGoal4設置2/6/202350MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202351MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202352MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202353MW&Opti.Commu.Lab,XJTU設置完優(yōu)化目標后最好先把原理圖存儲一下，然后就可以進行參數(shù)優(yōu)化了。點擊工具欄中的Simulate按鈕就開始進行優(yōu)化仿真了。在優(yōu)化過程中會打開一個狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化的結果，其中的CurrentEF表示與優(yōu)化目標的偏差，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標，0表示達到了優(yōu)化目標，下面還列出了各優(yōu)化變量的值，當優(yōu)化結束時還會打開圖形顯示窗口。在一次優(yōu)化完成后，要點擊原理圖窗口菜單中的Simulate->UpdateOptimizationValues保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存。經過數(shù)次優(yōu)化后，CurrentEF的值為0，即為優(yōu)化結束。優(yōu)化過程中根據(jù)情況可能會對優(yōu)化目標、優(yōu)化變量的取值范圍、優(yōu)化方法及次數(shù)進行適當?shù)恼{整。（7）進行參數(shù)優(yōu)化2/6/202354MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202355MW&Opti.Commu.Lab,XJTU優(yōu)化完成后必須關掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。方法是點擊原理圖工具欄中的按鈕，然后點擊優(yōu)化控件OPTIM，則控件上打了紅叉表示已經被關掉。點擊工具欄中的Simulate按鈕進行仿真，仿真結束后會出現(xiàn)圖形顯示窗口。（7）觀察仿真曲線2/6/202356MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202357MW&Opti.Commu.Lab,XJTU（8）生成版圖2/6/202358MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202359MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202360MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202361MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202362MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2/6/202363MW&Opti.Commu.Lab,XJTU作業(yè)：設計一平行耦合線帶通濾波器，其設計指標為：通帶2.4－2.5GHz，帶內衰減小于2dB，起伏小于1dB，2.3GHz以下及2.7GHz以上衰減大于40dB，端口反射系數(shù)小于-20dB。

板材參數(shù)：H:基板厚度(1.5mm)，Er:基板相對介電常數(shù)(2.65)Mur:磁導率(1)，Cond:金屬電導率(5.88E+7)Hu:封裝高度(1.0e+33mm)，T:金屬層厚度(0.035mm)TanD:損耗角正切(1e-4)，Roungh:表面粗糙度(