基于ads微带耦合滤波器的设计

基于ads微带耦合滤波器的设计内容摘要：

助 ALTERA 公司的 FPGA 器件和 0UARTus 2软件对设计进行仿真验证，测试结果完全能满足系统设计要求。 FPGA 是一种高密度的可编程逻辑器件，但它大部分 是基于 SRAM 编程，在编程时数据信息在系统断电时会丢失，其编程信息存放于外部存储器上，且使用方法复杂，保密性差。 综合上述方法的比较，利用 ADS 软件进行设计比较好。 基于 ADS 的微带耦合滤波器设计 5 第二章 关于低通滤波器的设计 低通原型滤波器 滤波器的基本原理 滤波器的基础是谐振电路，它是一个的二端口网络 [11]，对频率适合的信号进行传输，对频率不匹配的信号进行发射衰减，从而实现信号频谱过滤。 二端口低频网络可以使用网络参数对网络线性特征进行描述。 描述低频线性网络输入和输出的物理量。 图 二端 口网络 常用的低频网络参量有四种，分别称为阻抗参量、导纳参量和转移参量，视具体的应用场合，可选择一种最适合电路特性的网络参数。 典型的频率响应包括 低通、高通、带通、带阻衰减 ，如下图所示。 其他型号的 滤波器 一般都可以在 低通滤波器的原型 上 转化过来。 （ a）低通滤波器频响曲线 （ b）高通滤波器频响曲线 基于 ADS 的微带耦合滤波器设计 6 （ c）带通滤波器频响曲线 （ d）带阻滤波器频响曲线 图 滤波器的频响曲线 在滤波器中，通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性 [12]。 即 dBPPLinlg10L A  （ ） 式中， Pin 和 PL 分别为输出端匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率。 为了描述衰减特性与频率的相关性，通常使用数学多项式逼近方法来描述滤波器的特性。 滤波器的设计通常需要由衰减特性综合出滤波器低通原型，再将原型低通滤波器转换到要求设计的低通、高通、带通、带阻滤波器，最后用集总参数元器件实现所涉及的滤波器。 滤波器的主要参数指标 [13]： （ 1）中心频率 0f ：一般， 20 下上 fff 。 其中， 上f 、 下f 为带通或带阻滤波器左右相对下降 3dB 处对应的左右频点。 （ 2）截止频率 截频上f 、 下截频f ：低通滤波器的通带右边的边频点及高通滤波器的通带左边的边频点。 （ 3）通带带宽 BW3dB：需要通过的频谱宽度， 下上 ffBW dB 3 。 （ 4）相对带宽：用 %10003 fBW dB 表示，也常用来表征滤波器的通带带宽。 （ 5）插入损耗：引入滤波器对输入信号带来的损耗。 常以中心频率或截止频率处损耗表征。 （ 6）带内波动 IR ：通带内的插入损耗随频率变化的波动值。 （ 7）回波损耗：端口信号输入功率与反射功率之比的分贝数。 基于 ADS 的微带耦合滤波器设计 7 （ 8）延迟：信号通过滤波器所需要的时间。 低通滤波器的设计指标 具有最平坦的响应 截止频率为 在为 4MHz 处的插入损耗必须大于 20dB 阻抗为 50 欧 ，采用 6 阶巴特沃兹低通原型 [14]，最高实际线阻抗为 120欧，最低实际线阻抗为 20 欧，采用的基片参数为 d=， r ，  ，铜导体的厚度 t=。 低通原型滤波器的设计 先计算： c () 对于 n=6 的曲线，当 c 时， LA20dB。 故最大平坦滤波器级数 n=6。 低通原型值： g1=,g2=,g3=,g4=,g5=，g6=。 该低通原型电路如下图： 图 滤波器低通原型电路 低通滤波器原理图设计 设计原理图 选择 8 个微带线 MLIN 添加到原理图中，并链接起来。 基于 ADS 的微带耦合滤波器设计 8 图 滤波器原理图 这样就完成了滤波器原理图基本结构，为了达到设计性能，还必须对滤波器中微带电路的电气参数和尺寸进行设置。 电路参数设置： 图 MSUB参数 图 VAR 参数 参数显示窗口包含了物理尺寸参数设置栏和电尺寸参数设置栏。 如果电尺寸数据确定，则单击 Synthesize 按钮可得到物理尺寸；如果物理尺寸数据确定，则单击 Analyze 按钮可得到电尺寸参数。 电尺寸参数： Z0=50Ohm，表示微带线特性阻抗为 50Ohm E_Eff=90deg，表示微带线的电长度为 90deg 基于 ADS 的微带耦合滤波器设计 9 表 1 各枝节的宽度和长度 节数 gi Zi=Zl 或 Zh（ Ω ） li(度 ) Wi（ mm） li（ mm） 1 1 50 90 2 20 3 120 4 20 5 120 6 20 7 120 8 1 50 90 电路参数设置的原理图： 将 MSUB 和 VAR 放置在原理图上后即可进行参数的修改，这样便完成了电路参数 设置的原理图。 图 电路参数设置的原理图 仿真参数设置和原理图仿真 仿真参数设置 [15]: (1)在原理图设计窗口选择 S 参数仿真元器件面板 “ SimulationS_Param” ，并选择终端负载 TERM 放置在滤波器的两个端口上。 (2)在电路原理图中插入两个地，并连接好电路原理图。 (3)选择一个 S 参数仿真控制器放入到原理图中。 (4)设置 S 参数仿真控制器的参数： Start=0GHz； Stop=5GHz； Step=。 基于 ADS 的微带耦合滤波器设计 10 图 完成 S 参数仿真设置的原理图窗口 以上 为低通原型滤波器的设计 [16]，此设计共放置八个 MLIN 节，在原理图中应注意有关于参数的设置，注意两端 TERM 下均有一个接地。 因为其他滤波器都是由低通滤波器转化过来的，所以接下来就可以以低通原型滤波器为原型设计一个平行微带耦合滤波器。 原理图仿真 根据设计进行 S 参数的仿真，等仿真结束后在数据窗口添加 S21 参数的矩形图，并插入一个标记，然后添加 S11 参数的矩形图，插入一个标记。 图 滤波器的 S2 S11 参数曲线 基于 ADS 的微带耦合滤波器设计 11 第三章 平行微带耦合滤波器的设计 传输线理论 微带线 的结构及传输模式 微带线主要由三部分组成：最上面是宽度为 W，高度为 t 的导带体，下层是接地板，制作底层接地板的材料一般釆用 (如银、金、铜 )这些导电性能比较的金属材料良好的材料 ,中间部分用介质基板填充，这种填充介质的介电常数为r ，接地板的厚度用 h 表示。 图 微带线结构 耦 合微带线及其传输模式 上面已经对微带线做了详细的阐述 [17]，在微波电路中，平行耦合线就是在微带线中加一条与原来微带线一样并且平行的导带。 平行耦合微带线的作用非常多，例如组成振荡 回路、偏置电路、定向耦合器等基础的元器件 [18]，还能够根据它的特性组成类型不同、形状不同、结构不同的滤波器。 耦合微带线由以下三部分构成：上面是两条平行的金属导带，宽均为 W，高度为 t，两条金属导带的距离为 S，下层是接地板 ,制作底层接地板的材料一般采用 (如银、金、铜 )这些导电性能比较的金属材料良好的材料，中间部分用介质基板填充，这种填充介质的介电常数为 r ,接地板的厚度用 h 表示。 图 平行耦合微带线结构 基于 ADS 的微带耦合滤波器设计 12 传输线的基本特性参数 传输线的基本特性参 数包括传输线的特性阻抗、反射系数、驻波比、输入阻抗、传输常数和传输功率等等 [19]。 微带线是目前射频微波中使用最多最常见的传输线，是平面型结构，在 PCB(Printed Circuit Board，印制电路板 )上可以通过使用蚀刻电路技术制作，方便与各种射频元器件外连接从而实现不同的电路，可以在一块共有的介质基片上实现完整电路的制作，使射频部件及微波系统向高集成度、小型化方向发展。 微带线的有效介电常数 微带线导体带的上方为空气，下面为介质，然后假设一种微带线，这个微带线全部填充等效介质， )1( rrere   为这种等效介质的相对介电常数，等效微带线和现实的微带线有同样的特征阻抗与相速度，这个等效关系由 er 决定 微带线的有效相对介电常数的近似计算公式为 [20]： 21re22112221212121   hhhrrrrre hh （ ） 式中 W 表示导体带宽度， h 表示介质基板厚度。 微带线的特性阻抗 Z0 根据上面的 er ，能够获得 Z0 近似计 算公式：   12048ln6000hhZhhZrere hh （ ） 在给定微带线的特性阻抗 Z0 和相对介电常数 r 后，也可以求出 w/h 的值。 w/h 值的 计算公式为： 基于 ADS 的微带耦合滤波器设计 13 22hh （ ） 式中：   rrrrZA  160 0 ， rZB 02377 （ ） 微带线的传输特性 微带线的传输模式为准 TEM 模，但是微带下的传输特性按照 TEM 模近似计算。 在 TEM 波传输中，波的常数在忽略损耗时  j ，其中e02 ， λ0 为自由空间波长，微带线同其他 TEM 类型传输线相同，波的速度同样满足关系式PV，将 f 2 代入得到微带线的相速度和波长rePcV  ，reP  。 4 微带线的损耗与衰减 损耗是传输线的重要传输特性之一，不仅存在于同轴线、波导中，也同样存在于微带线中，并且由于微带线的不封闭结构，微带线的损耗远大于同轴线。