基于ADS的微帶濾波器設(shè)計(jì)

微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號, 使其不能通過濾波器, 只讓需要的信號通過。在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對電路的性能指標(biāo)有很大的影響，因此如何設(shè)計(jì)出一個(gè)具有高性能的濾波器，對設(shè)計(jì)微波電路系統(tǒng)具有很重要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來在微波電路系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應(yīng)用之一，因此本節(jié)將重點(diǎn)研究如何設(shè)計(jì)并優(yōu)化微帶濾波器。

1 微帶濾波器的原理

微帶濾波器當(dāng)中最基本的濾波器是微帶低通濾波器，而其它類型的濾波器可以通過低通濾波器的原型轉(zhuǎn)化過來。最大平坦濾波器和切比雪夫?yàn)V波器是兩種常用的低通濾波器的原型。微帶濾波器中最簡單的濾波器就是用開路并聯(lián)短截線或是短路串聯(lián)短截線來代替集總元器件的電容或是電感來實(shí)現(xiàn)濾波的功能。這類濾波器的帶寬較窄，雖然不能滿足所有的應(yīng)用場合，但是由于它設(shè)計(jì)簡單，因此在某些地方還是值得應(yīng)用的。

2 濾波器的分類

最普通的濾波器的分類方法通?？煞譃榈屯?、高通、帶通及帶阻四種類型。圖12.1給出了這四種濾波器的特性曲線。



按濾波器的頻率響應(yīng)來劃分，常見的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及橢圓型等；按濾波器的構(gòu)成元件來劃分，則可分為有源型及無源型兩類；按濾波器的制作方法和材料可分為波導(dǎo)濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器。

3 微帶濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)

微帶濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要包括：

1絕對衰減（Absolute attenuation）：阻帶中最大衰減（dB）。

2帶寬（Bandwidth）：通帶的3dB帶寬（flow—fhigh）。

3中心頻率：fc或f0。

4截止頻率。下降沿3dB點(diǎn)頻率。

5每倍頻程衰減（dB/Octave）：離開截止頻率一個(gè)倍頻程衰減（dB）。

6微分時(shí)延（differential delay）：兩特定頻率點(diǎn)群時(shí)延之差以ns計(jì)。

7群時(shí)延（Group delay）：任何離散信號經(jīng)過濾波器的時(shí)延（ns）。

8插入損耗（insertion loss）：當(dāng)濾波器與設(shè)計(jì)要求的負(fù)載連接，通帶中心衰減，dB

9帶內(nèi)波紋（passband ripple）：在通帶內(nèi)幅度波動(dòng)，以dB計(jì)。

10相移（phase shift）：當(dāng)信號經(jīng)過濾波器引起的相移。

11品質(zhì)因數(shù)Q（quality factor）：中心頻率與3dB帶寬之比。

12反射損耗（Return loss）

13形狀系數(shù)（shape factor）：定義為。

14止帶（stop band或reject band）：對于低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定點(diǎn)（如60dB點(diǎn)）的帶寬。

工程應(yīng)用中，一般要求我們重點(diǎn)考慮通帶邊界頻率與通帶衰減、阻帶邊界頻率與阻帶衰減、通帶的輸入電壓駐波比、通帶內(nèi)相移與群時(shí)延、寄生通帶。前兩項(xiàng)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)；輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大??；群時(shí)延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為 dU/df ，群時(shí)延為常數(shù)時(shí)，信號通過網(wǎng)絡(luò)才不會(huì)產(chǎn)生相位失真；寄生通帶是由于分布參數(shù)傳輸線的周期性頻率特性引起的，它是離設(shè)計(jì)通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計(jì)時(shí)要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。

4 微帶濾波器的設(shè)計(jì)

本小節(jié)設(shè)計(jì)一個(gè)微帶低通濾波器，濾波器的指標(biāo)如下：

通帶截止頻率：3GHz。

通帶增益：大于-5dB，主要由濾波器的S21參數(shù)確定。

阻帶增益：在4.5GHz以上小于-48dB，也主要由濾波器的S21參數(shù)確定。

通帶反射系數(shù)：小于-22dB，由濾波器的S11參數(shù)確定。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)。S21(S12)是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及增益、衰減全都表現(xiàn)在S21(S12)隨頻率變化的曲線上。S11(S22)參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，如果反射系數(shù)過大，就會(huì)導(dǎo)致反射損耗增大，影響系統(tǒng)的前后級匹配，使系統(tǒng)性能下降。

了解了濾波器的設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)指標(biāo)后，下面開始設(shè)計(jì)微帶低通濾波器。

4.1建立工程

新 建工程，選擇【File】→【New Project】，系統(tǒng)出現(xiàn)新建工程對話框。在name欄中輸入工程名：microstrip_filter，并在Project Technology Files欄中選擇ADS Standard：Length unit——millimet，默認(rèn)單位為mm，如圖12.2所示。單擊OK，完成新建工程，此時(shí)原理圖設(shè)計(jì)窗口會(huì)自動(dòng)打開。

4.2原理圖和電路參數(shù)設(shè)計(jì)

工程文件創(chuàng)立完畢后，下面介紹微帶低通濾波器的原理圖設(shè)計(jì)過程。

1）在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇TLines-Microstrip元件面板列表，窗口左側(cè)的工具欄變?yōu)槿鐖D12.3所示。并選擇6個(gè)MLIN、5個(gè)MLOC、1個(gè)MSUB按照圖12-4所示的方式連接起來。





2）設(shè)置圖12-4中的控件MSUB微帶線參數(shù)

H:基板厚度(0.1 mm)

Er:基板相對介電常數(shù)(2.16)

Mur:磁導(dǎo)率(1)

Cond:金屬電導(dǎo)率(6.14E+7)

Hu:封裝高度(1.0e+33 mm)

T:金屬層厚度(0.001 mm)

TanD:損耗角正切(1e-3)

Roungh:表面粗糙度(0 mm)

完成設(shè)置的MSUB控件如圖12.5所示。



3）濾波器兩端的引出線是50 Ohm的微帶線，它的寬度W可由微帶線計(jì)算工具算出。選擇【Tools】→【LineCalc】→【Start LineCalc】命令。在打開的窗口中輸入如圖12-6所示的內(nèi)容。



在Substrate Parameters欄中填入與MSUB相同的微帶線參數(shù)。

在Component Parameters欄中填入中心頻率（本例為3.0GHz）。

Physical欄中的W和L分別表示微帶線的寬和長。
Electrical欄中的Z0和E_Eff分別表示微帶線的特性阻抗和相位延遲，點(diǎn)擊Synthesize和Analyze欄中的和箭頭，可以進(jìn)行W、L與Z0、E_Eff間的相互換算。本例中Z0為50Ohm，E_Eff為45deg，W為0.31008mm，L為9.18284mm。另外打開的一個(gè)窗口顯示當(dāng)前運(yùn)算狀態(tài)以及錯(cuò)誤信息，如圖12.7所示。



4） 雙擊兩邊的引出線TL1、TL6，分別將其寬與長設(shè)為0.31006 mm和1.5 mm。其余的微帶線長度設(shè)為9.18284，寬度是濾波器設(shè)計(jì)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。微帶濾波器的結(jié)構(gòu)是對稱的，因此設(shè)置了W1、W2、W3、W4、W5共5個(gè)變量。

雙擊每個(gè)微帶線設(shè)置參數(shù)，W分別設(shè)為相應(yīng)的變量，單位mm。在設(shè)置寬度的5個(gè)變量時(shí)，為了讓它們顯示在原理圖上，要把Display parameter on schematic的選項(xiàng)勾上。設(shè)置完變量的原理圖如圖12.8所示。



5）由于原理圖中的MLIN和MLOC的寬度都是變量，因此需要在原理圖中添加一個(gè)變量控件。單擊工具欄上的VAR 圖標(biāo)，把變量控件VAR放置在原理圖上，雙擊該圖標(biāo)彈出變量設(shè)置窗口，依次添加各微帶線的W參數(shù)。

在 Name欄中填變量名稱，Variable Value欄中填變量的初值，點(diǎn)擊Add添加變量，然后單擊Tune/Opt/Stat/DOE Setup…按鈕設(shè)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，Minimum Value表示可優(yōu)化的最小值Maximum Value表示可優(yōu)化的最大值，如圖12.9，12.10所示。





微帶濾波器中微帶線的變量值及優(yōu)化范圍設(shè)置如下。

W1=0.1679 opt{ 0.1 to2 }，表示W(wǎng)1的默認(rèn)值為0.1679，變化范圍為0.1到2。

W2=0.4772 opt{ 0.1 to 2 }，表示W(wǎng)2的默認(rèn)值為0.4772，變化范圍為0.1到2。

W3=0.5124 opt{ 0.1 to 2 }，表示W(wǎng)3的默認(rèn)值為0.5124，變化范圍為0.1到2。

W4=0.1269 opt{ 0.1 to 2 }，表示W(wǎng)4的默認(rèn)值為0.1269，變化范圍為0.1到2。

W5=0.1203 opt{ 0.1 to 2 }，表示W(wǎng)5的默認(rèn)值為0.1203，變化范圍為0.1到2。

這樣一個(gè)完整的微帶低通濾波器的電路就完成了，如圖12.11所示。



4.3 S參數(shù)仿真設(shè)置和原理圖仿真

上面已經(jīng)詳細(xì)的闡述了原理圖的設(shè)計(jì)以及電路參數(shù)的設(shè)置，下面介紹S參數(shù)仿真設(shè)置和原理圖仿真。在執(zhí)行仿真之前，先進(jìn)行S參數(shù)仿真設(shè)置。

1）S參數(shù)仿真設(shè)置

在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇S參數(shù)仿真工具欄，Simulation-S_Param。選擇Term放置在濾波器兩邊，用來定義端口1和2，并放置兩個(gè)地，按照圖12.12連接好電路。

選擇S參數(shù)掃描控件放置在原理圖中，并設(shè)置掃描的頻率范圍和步長。雙擊S參數(shù)仿真控制器，參數(shù)設(shè)置如下。

Start=0 GHz，表示頻率掃描的起始頻率為0 GHz。

Stop=5 GHz，表示頻率掃描的終止頻率為5 GHz。

Step=0.01 GHz，表示頻率掃描的頻率間隔為0.01 GHz。

完成參數(shù)設(shè)置的S參數(shù)仿真控制器如圖12.13所示。



調(diào)整電路原理圖和各種控件，最終得到的電路原理圖如圖12.14所示。



這樣就完成了微帶低通濾波器S參數(shù)的仿真設(shè)置，下面開始對濾波器進(jìn)行仿真。

2） 原理圖仿真

單擊工具欄上的simulate按鈕或是點(diǎn)擊simulate→simulate，當(dāng)仿真結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出一個(gè)數(shù)據(jù)顯示窗口，在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個(gè)S21參數(shù)的矩形圖，再點(diǎn)擊maker→New，可在圖中加一標(biāo)記，如圖12.15所示。從圖中可以看出，S21參數(shù)曲線是一個(gè)低通濾波器的形狀，但是與設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求還有一定的差距。以同樣的方式插入一個(gè)S11參數(shù)的矩形圖，加上一個(gè)Marker點(diǎn)，如圖12.16所示。從圖中可以看出，S11在通帶內(nèi)基本滿足工程設(shè)計(jì)的要求，但是還有待于進(jìn)一步改善，使端口的反射系數(shù)更小。





通過仿真我們可以看出，濾波器的參數(shù)指標(biāo)還不滿足要求，這就需要我們通過優(yōu)化仿真來使濾波器的參數(shù)滿足設(shè)計(jì)的要求，下面就來介紹關(guān)于電路優(yōu)化方面的內(nèi)容。

4.4優(yōu)化電路參數(shù)

由于濾波器的參數(shù)并未達(dá)到指標(biāo)要求，因此需要優(yōu)化電路參數(shù)，使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化電路參數(shù)的具體步驟如下：

1) 在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇優(yōu)化面板列表optim/stat/Yield/DOE,在列表中選擇優(yōu)化控件optim，雙擊該控件設(shè)置優(yōu)化方法和優(yōu)化次數(shù)，常用的優(yōu)化方法有Random(隨機(jī))、Gradient(梯度)等。隨機(jī)法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。設(shè)置完成的控件如圖12.17所示。



2）在優(yōu)化面板列表中選擇優(yōu)化目標(biāo)控件Goal放置在原理圖中，雙擊該控件設(shè)置其參數(shù)，如圖12.18所示。

Expr是優(yōu)化目標(biāo)名稱，其中dB(S(2,1))表示以dB為單位的S21參數(shù)的值。

SimlnstanceName是仿真控件名稱，這里選擇SP1

Min和Max是優(yōu)化目標(biāo)的最小與最大值。

Weight是指優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重。

RangeVar[1]是優(yōu)化目標(biāo)所依賴的變量，這里為頻率freq。

RangeMin[1]和RangeMax[1]是上述變量的變化范圍。

這里總共設(shè)置了三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，前二個(gè)的優(yōu)化參數(shù)都是S21，用來設(shè)定濾波器的通帶和阻帶的頻率范圍及衰減情況，最后一個(gè)的優(yōu)化參數(shù)是S11，用來設(shè)定通帶內(nèi)的反射系數(shù)(這里要求小于-25dB)，具體如圖12.19所示。由于原理圖仿真和實(shí)際情況會(huì)有一定的偏差，在設(shè)定優(yōu)化參數(shù)時(shí)，可以適當(dāng)增加通帶寬度。對于其它的參數(shù)，也可以根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行一定的調(diào)整。





3）設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后把原理圖存儲一下，然后點(diǎn)擊工具欄中的Simulate按鈕開始進(jìn)行優(yōu)化仿真。在優(yōu)化過程中會(huì)打開一個(gè)狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化的結(jié)果(如圖 12.20)，其中的CurrentEF表示與優(yōu)化目標(biāo)的偏差，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標(biāo)，0表示達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)，下面還列出了各優(yōu)化變量的值，當(dāng)優(yōu)化結(jié)束時(shí)還會(huì)打開數(shù)據(jù)顯示窗口。在數(shù)據(jù)顯示窗口中我們可以觀察S11參數(shù)和S21參數(shù)，如圖12.21所示。從圖中可以看出，濾波器的S11參數(shù)和S21參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。





需要注意的是在一次優(yōu)化完成后，要點(diǎn)擊原理圖窗口菜單中的Simulate -> Update Optimization Values保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當(dāng)前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存。
如果一次優(yōu)化不能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，根據(jù)情況需要對優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量的取值范圍、優(yōu)化方法及次數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化后，當(dāng)CurrentEf的值為0，即為優(yōu)化結(jié)束。
4）優(yōu)化完成后必須關(guān)掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。點(diǎn)擊原理圖工具欄中的按鈕，然后點(diǎn)擊優(yōu)化控件OPTIM，則控件上打了紅叉表示已經(jīng)被關(guān)掉。要想使控件重新開啟，只需點(diǎn)擊工具欄中的按鈕，然后點(diǎn)擊要開啟的控件，則控件上的紅叉消失，功能也重新恢復(fù)了。對于原理圖上其他的部件，如果想使其關(guān)閉或開啟，也可以采取同樣的方法。

5）點(diǎn)擊工具欄中的Simulate按鈕進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示窗口。在數(shù)據(jù)顯示窗口觀察濾波器的S11和S21曲線，其結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果相同。

4.5其他參數(shù)

在進(jìn)行原理圖仿真時(shí)，還可以看到濾波器的群時(shí)延以及輸入的電壓駐波比等參數(shù)。雙擊S參數(shù)控件，在其設(shè)置窗口的Parameters選項(xiàng)卡中勾上Group delay選項(xiàng)，就會(huì)在仿真時(shí)計(jì)算群時(shí)延。把左側(cè)工具欄設(shè)為Simulation-S_param，并把VSWR控件放置在原理圖中，即可計(jì)算輸入駐波比。

要觀察這兩個(gè)參數(shù)的曲線，只需在仿真后出現(xiàn)的圖形顯示窗口中添加delay(2,1)及VSWR的曲線即可。當(dāng)優(yōu)化完成后，還可以把S參數(shù)仿真的頻率范圍加大，看看濾波器的寄生通帶出現(xiàn)在什么頻率上。

4.6 版圖的生成與仿真

原理圖的仿真是在完全理想的狀態(tài)下進(jìn)行的，而實(shí)際電路板的制作往往和理論有較大的差距，這就需要我們考慮一些干擾、耦合等外界因素的影響。因此需要在ADS中進(jìn)一步對版圖仿真。

1） 版圖的生成

版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計(jì)算比較復(fù)雜，需要較長的時(shí)間，可作為對原理圖設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。
①首先要由原理圖生成版圖，生成版圖前先要把原理圖中用于S參數(shù)仿真的兩個(gè)Term以及接地去掉，不讓他們出現(xiàn)在生成的版圖中。去掉的方法與前面關(guān)掉優(yōu)化控件的相同，都是使用按鈕，把這些元件打上紅叉。

② 然后點(diǎn)擊菜單中的Layout -> Generate/Update Layout，彈出一個(gè)設(shè)置窗口（如圖12.22），直接點(diǎn)OK，又出現(xiàn)一個(gè)窗口（如圖12.23），再點(diǎn)OK，完成版圖的生成，這時(shí)會(huì)打開一個(gè)顯示版圖的窗口，里面有剛生成的版圖(如圖12.24) 。

③版圖生成后先要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)(即原理圖中MSUB里的參數(shù))，點(diǎn)擊版圖窗 口菜單中的Momentum -> Substrate -> Update From Schematic從原理圖中獲得這些參數(shù)，點(diǎn)擊Momentum -> Substrate -> Create/Modify可以修改這些參數(shù)。

④為了進(jìn)行S參數(shù)仿真，需要在濾波器兩側(cè)添加兩個(gè)端口，點(diǎn)擊工具欄上的Port按鈕，彈出port設(shè)置窗口，點(diǎn)擊OK關(guān)閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別點(diǎn)擊添加上兩個(gè)port端口。

2） 版圖的仿真

① 點(diǎn)擊Momentum -> Simulation -> S-parameter彈出仿真設(shè)置窗口，該窗口右側(cè)的Sweep Type選擇Adaptive，起止頻率設(shè)為與原理圖中相同，采樣點(diǎn)數(shù)限制取10 (因?yàn)榉抡婧苈?，所以點(diǎn)數(shù)不要取得太多)。然后點(diǎn)擊Update按鈕，將設(shè)置填入左側(cè)列表中，點(diǎn)擊Simulate按鈕開始進(jìn)行仿真。仿真過程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)狀態(tài)窗口顯示仿真進(jìn)程。







②仿真運(yùn)算要進(jìn)行一段時(shí)間，仿真結(jié)束后將出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示窗口，觀察S11和S21曲線，性能有不同程度的惡化（如圖12.25），此處S11的值大概為-24dB，S21的值大概為-48dB，基本達(dá)到了指標(biāo)要求。



③如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標(biāo)要求，那么要重新回到原理圖窗口進(jìn)行優(yōu)化仿真，產(chǎn)生這種情況的原因是微帶線的寬度取值不合適，可以改變優(yōu)化變量的初值，也可根據(jù)曲線與指標(biāo)的差別情況適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)，重新進(jìn)行優(yōu)化。

④在返回原理圖重新優(yōu)化時(shí)，要先使剛才打紅上叉的部件恢復(fù)有效，然后才能進(jìn)行優(yōu)化，之后重復(fù)前面所述的過程，直到版圖仿真的結(jié)果達(dá)到要求為止。

3） 版圖的制作

版圖的仿真完成后要根據(jù)結(jié)果用Protel軟件或是AutoCAD繪制電路版圖，繪制版圖時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。

①所用電路板是普通的雙層板，上層用來繪制電路，下層整個(gè)作為接地。

②在繪制版圖時(shí)受加工工藝的限制，尺寸精度到0.01 mm即可，線寬和縫隙寬度要大于0.2mm

③考慮到加工電路板時(shí)的側(cè)向腐蝕問題，微帶線的寬度和長度要適當(dāng)增加。

④版圖的大小要符合規(guī)定尺寸，以便于安裝在測試架上。