基于ads的微波带通滤波器仿真设计

基于ads的微波带通滤波器仿真设计内容摘要：

第 7 页 共 43 页  gg3 微带发夹型带通滤波器的设计实例及过程 ]19[ 器设计指标要求 （ 1） 中心频率 ： GHz； （ 2） 带宽 200 MHz； （ 3） 通带波纹 3dB； （ 4） 在频率 . 和 处， 频率 衰减 ≥20dB； （ 5） 输入输出特性阻抗为 50Ω。 在 GHz时的 微带线 参数为 : （ 1） 介电常数 rε ； （ 2） 基板厚度 10h mil； （ 3） 损耗正切角 0tan D ； （ 4） 相对磁导率 1Mur。 通过频率变换公式计算得到归一化中心频率为 1. 96 GHz 且 获得 20 dB衰减，滤波器的阶数至少为 3， 为了能更好的达到滤波器的指标 要求 ，本文采用滤波器的阶数为 5 的 3dB 波纹切比雪夫低通原型 ]20[ ，根据表 ， 求得低通滤波器原型的原件取值为 ]14[ ：  gg g  gg 表 切比雪夫滤波器原件参数（ 3dB 波纹， N=1,2,3,...,8） N 1g 2g 3g 4g 5g 6g 7g 8g 9g 1 2 3 4 5 6 7 8 下面根据式 ()，计算出各阶藕合微带线的奇偶模阻抗，并利用 ADS 自带的传输线 Linecalc计算工具，如图。 陕西理工学院毕业论文 第 8 页 共 43 页 图 ADS Linecalc 模块 计算得到每级微带线的几何尺寸 W ,S ,L ，如表。 表 各阶耦合微带线参数列表 阶数 i 偶模阻抗（ 1, ii ） 奇模阻抗（ 1, ii ） 发夹间距 S /mm 微带线宽 W /mm 微带线长 L /mm 0 1 2 3 4 5 由式 ()计算出，滤波器的抽头位置约为 11 mm。 （ 1） 运行 ADS2020,打开 ADS主窗口。 执行菜单命令 [File] [New] [Workspace]，或点图标创建一个工程 文件， 如下图。 图 ADS2020 工程文件窗口 陕西理工学院毕业论文 第 9 页 共 43 页 （ 2）建立原理图工程，执行菜单命令 [File] [New] [Schematic],或点图标 ，如下图 所示。 图 ADS 原理图窗口 （ 3） 在原理图设计窗口中选择 TLinesMicrostrip 元件面板列表，并选择 27 个 MLIN、 10 个MLOC、 10个 MCURVE、 4个 Mclin、 2个 MTEE、 1个 MSUB如下图。 图 原件图 （ 4） 打开原件库，选择 SimulaionS_param库，添加 2 个 Term 原件 ， 再加两个接地，用线连接原件，构成完整电路原理图，如下图。 陕西理工学院毕业论文 第 10 页 共 43 页 图 电路原理图 （ 5） 用鼠标双击原件 MLIN,依次修改原件参数，如下图。 图 MLIN 参数设置 （ 6） 用鼠标双击原件 Mclin,修改原件参数，如下图。 陕西理工学院毕业论文 第 11 页 共 43 页 图 Mclin参数设置 （ 7） 用鼠标双击原件 MLOC、 MCURVE、 MTEE 依 次修改原件参数 ， 完成参数后电路原理图如下 图 所示。 图 微带抽头线发夹型带通滤波器的原理图 由于微带线是由覆盖 在 电介质表面上的金属材料 构成 ，不同的金属材料和 介质材料的电气特性导致 相同尺寸 的 微带线的特性阻抗不同，所以需要 对微带线的进行 参数设置。 微带线的参数设置方法如下： 陕西理工学院毕业论文 第 12 页 共 43 页 （ 1） 将 抽头位置和表 2中的结构尺寸输入 ADS中相对应的耦合微带线处； （ 2） 在微带线器件面板中找到微带线参数设置控件 MSUB，将其插入到电路原理图中； 双击微带线参数设置控件，弹出参数设置窗口，按照以下内容进 行设置：  H=10mil，表示微带线介质基片厚度为 10mil  Er=，表示微带线介质基片相对介电常数为  Mur=1，表示微带线介质基片磁导率为 1  Cond=+50，表示微带线金属片的电导率为 +50  Hu=+033mm，表示微带电路的封装高度为 +033 mm  T=0，表示微带线金属片的厚度为 0  TanD=0mil，表示微带线的损耗角正切为 0mil  Roungh=0mm，表示微带线的表面粗糙度为 0 mm 双击 MSUB原件，设置 基板参数 如图。 图 MSUB 参数设置 完成设置的 MSUB控件如图。 陕西理工学院毕业论文 第 13 页 共 43 页 图 MSUB 控件设置 原理图设计完成后，接下来进行原理图仿真，根据设计的指标要求，主要是对它的 S参数进行仿真和分析。 步骤如下： 1) 在原理图设计窗口中选择 S 参数仿真元件面板“ SimulationS_Param”，选择“ Term”放置在功率分配器 2个端口上，用来定义端口 1和 2。 单击工具栏中的 接地 图标，放置 2个“地”，连接好电路原理图。 2) 选择 S参数扫描控件“ SP”，放置在原理图中。 双击 SParam， 设置扫描类型（ Sweep Type）为线性（ Linear），并设置扫描的频率范围为 ，步长选择为 ，如图 示， 完成设置的 “ SP” 控件如图。 图 SParam参数设置 图 “ SP”控件设置 陕西理工学院毕业论文 第 14 页 共 43 页 (3) 设置好参数，点击保存。 然后 单击工具栏中的 [Simulate]按钮进行仿真 ，如图。 图 仿真面板窗口 (4)选择要显示的 S(2,1)和 S(1,1),单击【 Add】按钮，在弹出的“ Camplex Data”对话框中选择 dB为单位，如下图。 图 仿真面板设置 (6)单击【 OK】按钮，返回“ Plot Traces ＆ Attributes”对话框，单击【 OK】按钮， 会显示 仿真结果如图。 陕西理工学院毕业论文 第 15 页 共 43 页 图 传输、反射系数曲线图 经过分析仿 真结果可以发现出现了基本的滤波器形状， S(1,1)参数矩形图表明 ， 此时的中心频率在 ， 中心频率点偏移非常严重， 与设计指标要求的通带范围 距离， 因此必须对相关参数进行优化。 利用 ADS中 Optim控件和目标控件 Goal，设置优化目标，然后进行仿真得到优化结果 步骤如下： 1) 修改 耦合 微带线段的取值方式，将 耦合 微带线段两个导体带的间隔 S和耦合微带线的长度 L设置为变量，并设置相邻耦合微带线的尺寸，分别在 图 参数。 图 微带线参数设置 2) 用同样的办法 设置其它 3段微带线参数。 完成 S和 L的范围设定后，还需要选择优化方式陕西理工学院毕业论文 第 16 页 共 43 页 和优化目标。 步骤如下： （ 1） 在原理图设计窗口中选择优化工具栏， 插入 优化控件“ Optim” 双击优化控件 Optim，设置优化次数为 200 次。 （ 2） 设置优化方法为随机 (Random)或者梯度 (Gradient)等，随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛 ，此次优化方法比较适合随机 (Random)。 如图。 图 Optim 控件参数设置 完成设置的 “ SP” 控件如图。 图 “ Optim”控件参数设置 （ 3） 接着设置 4个目标控件 “ GOAL” 的参数： 陕西理工学院毕业论文 第 17 页 共 43 页  在“ Expr”项中输入表达式“ dB(S(1,1))”，表示优化的目标是端口 1反射系数的 dB值；  在“ SimInstanceName” 项中输入“ SP1”，表示是针对 S参数仿真 SP1进行的优化；  LimitMax=20，表示优化的目标是 dB(S(1,1))不超过 20dB；  Min值不添，这是由于 S(1,1)的值越小越好；  Weight100， 说明 优化 11S 的参数 比较重要 ；  RangeVar[1]=“ freq”，表示优化是在一定的频率范围内进行的；  RangeMin[1]=，表示频率优化范围的最小值为 ；  RangeMax[1]=，表示频率优化范围的最大值为 ；  其余 3个优化目标控件的参数如表 其他 3个优化目标的设置 如图。 表 其他 3 个优化目标的参数设置 图 完成设置的目标控件 完成优化设置后， 点击保存 ， 最后所得的优化原理图如图。 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 陕西理工学院毕业论文 第 18 页 共 43 页 图 微带线发夹型带通滤波器优化原理图 （ 4）完成相关参数设置之后，单击工具栏中的 [Simulate]—— [Optimize]或图标 按钮进行优化仿真。 优化过程中系统会自动打开一个状态窗口显示优化结果，其中的“ CurrentEF”表示与优化目标的偏差，当它的值减小到 0的时候表示达到了优化目标 .如下图 (a)、 (b)所示。 优化结束后数据显示窗口会自动。 由于选择的优化方法是随机 (Random)，因此每次 优化的结果都会有所不同甚至相去甚远，所打开以要不断改变参数的值，多次进行优化，直至得到跟所需要的优化结果最接近的数据为止。 最终得到的优化结果如图 所示。 图 优化图（ a） 陕西理工学院毕业论文 第 19 页 共 43 页 图 优化图（ b） 图 优化后的 S 参数曲线图 由图 ：  中心频率为 ，满足技术指标。  M3为上边频 ， M4 为下边频 ，带宽约为 200M，满足技术指标。  在 GHz和 20dB满足技术指标。  带内波纹小于 3dB满足技术指标。 综上可以看出，带内波动很小，而在 4. 6 GHz处和 5. 0 GHz处只能达到 20 dB的衰减，而在 GHz左右能达到 40 dB的衰减，这是该滤波器的内部结构决定的。 这样就完成了原理图的设计、仿真和优化，并达到了设计的指标的要求。 但是在实际应用中还是会发现仿真结果与实际设计的电路指标有很大差别，因此必须在原理图设计与电路制作中对版图进行仿真，以进一步保证结果符合陕西理工学院毕业论文 第 20 页 共 43 页 设计要求。 一般使用电路板上的微带电路实现 微带抽头线发夹型带通滤波器 ，这可能与原理图仿真的结果有很大差别，因此需要在 ADS 中对版图进行进一步的仿真。