射频集总参数滤波器的仿真要点Word文件下载.docx

射频集总参数滤波器的仿真要点Word文件下载.docx

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1．创建项目

下面将创建一个集总参数滤波器项目，本章所有的设计都将保存在这个项目之中。

创建项目的步骤如下。

（1）启动ADS软件，弹出主视窗。

（2）选择主视窗中【File】菜单→【NewProject】，弹出【NewProject】对话框，在【NewProject】

对话框中，输入项目名称和这个项目默认的长度单位，这里项目名称定为LC_Filter，默认的长度单位选为millimeter。

（3）

【NewProject】对话框如图10.10所示，单击【NewProject】对话框中的【OK】按钮，完成创建项目，同时一个未命名的原理图（untitled1）自动打开。

2．创建原理图

创建原理图的方法很多，这里在前面自动打开的原理图上将原理图命名，完成原理图的创建工作。

创建原理图的步骤如下。

（1）在未命名的原理图untitled1上，选择菜单【File】→【SaveDesign】，弹出【SaveDesignAs】对话框。

（2）在【SaveDesignAs】对话框中，输入文件名"

Filter_Lowpass1"

，然后单击"

保存"

，将原理图命名为Filter_Lowpass1。

3．利用设计向导生成集总参数低通滤波器原理图

（1）在原理图Filter_Lowpass1中，选择【DesignGuide】菜单→【Filter】，弹出【Filter】对话框，在对话框中选择【FilterControlWindow】项。

【Filter】对话框如图10.11所示。

图10.10创建集总参数滤波器项目

图10.11Filter设计向导对话框

（2）单击【Filter】对话框中的【OK】按钮，关闭【Filter】对话框，同时将弹出滤波器设计向导初始窗口【FilterDesignGuide】，如图10.12所示。

图10.12滤波器设计向导初始窗口

（3）在图10.12所示的【FilterDesignGuide】窗口中，单击工具栏中的按钮【ComponentPalette-All】，在Filter_Lowpass1原理图中出现【FilterDG-All】列表下的元器件面板，如图10.13所示，【FilterDG-All】元器件面板上列出了各种类型滤波器的设计向导，包括集总元器件低通、高通、带通和带阻滤波器设计向导。

（4）在【FilterDG-All】元器件面板上，选择双端口低通滤波器，插入到原理图的画图区，然后单击按钮，结束当前命令。

原理图中的双端口低通滤波器如图10.14所示。

图10.13滤波器设计向导元器件面板

图10.14双端口低通滤波器原理图

（5）重新回到【FilterDesignGuide】窗口，单击窗口中的【FilterAssistant】按钮，在【FilterDesignGuide】窗口中出现滤波器设计向导，如图10.15所示，图10.15中【SmartComponent】项为DA_LCLowpassDT1，说明Filter_Lowpass1原理图中现在出现了快捷元器件DA_LCLowpassDT1，设计向导就是用来设计原理图中的快捷元器件DA_LCLowpassDT1。

图10.15滤波器设计向导中的设计选项

下面对图10.15中【FilterDesignGuide】窗口的参量介绍如下。

SourceImpedances为源阻抗，源阻抗的默认状态为50Ω。

LoadImpedances为负载阻抗，负载阻抗的默认状态为50Ω。

FirstElement为滤波器第一个元器件的串并联方式，Parallel为并联方式，Series为串联方式，软件的默认状态为Parallel并联方式。

Order（N）为滤波器的阶数，滤波器的阶数与滤波器的元器件数相同

ResponseType为滤波器响应的方式，滤波器响应的方式有最大平滑MaximallyFlat（也称为巴特沃斯）、切比雪夫Chebyshev、椭圆Elliptic和高斯Gaussian等，软件默认的滤波器响应方式为最大平滑MaximallyFlat。

Ap（dB）为滤波器通带的衰减。

As（dB）为滤波器阻带的衰减。

Fp为滤波器通带的频率。

Fs为滤波器阻带的频率。

（6）图10.15是初始状态，下面设置图10.15中快捷元器件DA_LCLowpassDT1的参数。

ResponseType选为切比雪夫Chebyshev。

Ap（dB）选为0.5。

As（dB）选为40。

Fp选为0.1GHz。

Fs选为0.2GHz。

其余选项保持默认状态。

单击【FilterDesignGuide】窗口中的【Design】按钮，软件中的设计向导完成设计。

（7）现在观察【FilterDesignGuide】窗口，可以看到现在窗口中的曲线已经改变为图10.16。

图10.16滤波器设计向导中符合指标的响应

由图10.16可以看出，在通带内滤波器的响应是等幅值的波纹，在阻带内滤波器的衰减随着频率的升高单调上升，这是切比雪夫低通滤波器。

（8）现在原理图中的DA_LCLowpassDT1元器件已经有了子电路，下面观察子电路，观察子电路的步骤如下。

在原理图中选中DA_LCLowpassDT1元器件。

然后单击原理图工具栏中的按钮，进入DA_LCLowpassDT1元器件子电路，DA_LCLowpassDT1元器件子电路如图10.17所示。

由图10.17可以看出，满足技术指标的滤波器阶数为5，也就是滤波器有5个元器件。

（9）在原理图的工具栏中，单击按钮，由DA_LCLowpassDT1元器件子电路退出，回到图10.14所示的原理图中。

4．观察原理图的仿真结果

下面在原理图Filter_Lowpass1中设置仿真控件，来观察DA_LCLowpassDT1元器件的S参数，DA_LCLowpassDT1元器件的子电路为集总参数低通滤波器。

（1）打开Filter_Lowpass1原理图。

（2）在原理图Filter_Lowpass1上选择S参数仿真元器件面板，在元器件面板上选择负载终端Term，将负载终端Term两次插入到原理图中，定义负载终端Term1为输入端口，负载终端Term2为输出端口。

图10.17滤波器子电路

（3）在原理图工具栏中单击按钮，将地线（GROUND）两次插入原理图，让两个负载终端Term接地。

（4）单击工具栏中的按钮，将原理图中的负载终端Term和低通滤波器连接起来，连接方式如图10.18所示。

（5）在S参数仿真元器件面板上，选择S参数仿真控件SP插入到原理图的画图区，对S参数仿真控件设置如下。

频率扫描类型选为线性Linear。

频率扫描的起始值设为0MHz。

频率扫描的终止值设为300MHz。

频率扫描的步长设为10MHz。

其余的参数保持默认状态。

单击S参数仿真控件设置窗口中的【OK】按钮，完成对S参数仿真控件的设置，现在用于仿真的集总参数低通滤波器原理图如图10.19所示。

图10.18带有负载终端的低通滤波器原理图

图10.19用于仿真的集总参数低通滤波器原理图

（6）现在可以对图10.19所示的原理图仿真了。

在原理图工具栏中单击按钮，运行仿真，仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。

（7）数据显示视窗的初始状态没有任何数据显示，用户自己选择需要显示的数据和数据显示的方式，这里选择的步骤如下。

在数据显示视窗中，单击数据显示方式面板中的矩形图标，插入到数据显示区。

选择矩形图的横轴为频率，纵轴为用分贝（dB）表示的S21。

在S21曲线上插入三个Marker，S21曲线如图10.20所示，S21表示信号由端口1到端口2的正向传输系数。

图10.20　低通滤波器数据显示

单击工具栏中的按钮，保存数据。

（8）由图10.20可以看出，S21曲线在30MHz、100MHz和200MHz处的值如下。

在30MHz处，S21的值为?

0.499dB。

在100MHz处，S21的值为?

0.500dB。

在200MHz处，S21的值为?

42.039dB。

图中的参数满足指标要求。

由上节ADS的设计向导，我们得到了集总参数低通滤波器原理图的基本结构,本节学习如何实现集总参数低通滤波器的原理图。

实际的集总参数低通滤波器，集总参数元器件之间需要有传输线连接，由于分布参数的影响，传输线会对滤波器的技术指标有影响，因此需要考虑加入传输线后滤波器的设计情况。

集总参数低通滤波器的设计指标如下。

设计集总参数低通滤波器。

通带频率范围为0.1GHz内。

通带内衰减小于0.6dB。

在0.2GHz时衰减大于40dB。

特性阻抗为50Ω。

微带线基板的厚度为1mm，基板的相对介电常数为4.2。

连接集总参数元器件的微带线，长选为2.5mm，宽选为1.5mm。

1．创建新设计

创建一个新设计Filter_Lowpass2，这个设计依旧保存在LC_Filter项目之中。

创建新设计的步骤如下。

（1）选择主视窗中【View】菜单→【StartupDirectory】，然后在主视窗中的文件浏览区选择LC_Filter_prj，双击进入LC_Filter项目。

（2）在主视窗中选择【File】菜单→【NewDesign】，弹出【NewDesign】对话框，在【NewDesign】对话框中，输入新建的设计名称Filter_Lowpass2，并选择对话框中【CreateNewDesignin】项中的NewSchematicWindow（新建原理图视窗），以及选择【SchematicDesignTemplates】

（原理图设计模板）项中的none，然后单击【OK】按钮，新建的原理图Filter_Lowpass2自动打开。

2．设计原理图

在Filter_Lowpass2原理图上，根据图10.17搭建低通滤波器原理图电路。

由于低通滤波器在微带线上搭建，电感和电容元器件之间需要有一定的间距，因此电感和电容之间需要由微带线连接。

（1）设置微带线参数

在原理图的元器件面板列表上，选择微带线【TLines-Microstrip】，元器件面板上出现与微带线对应的元器件图标，如图10.21所示。

在图10.21所示的微带线元器件面板上，选择MSUB插入到原理图的画图区。

在画图区中，双击MSub，弹出【MicrostripSubstrate】设置对话框，在【MicrostripSubstrate】设置对话框中，对微带线参数设置如下。

H=1mm，表示微带线基板的厚度为1mm。

Er=4.2，表示微带线基板的相对介电常数为4.2。

Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。

Cond=4.1E+7，表示微带线导体的电导率为4.1E+7。

Hu=1.0e+033mm，表示微带线的封装高度为1.0e+033mm。

T=0.05mm，表示微带线的导体层厚度为0.05mm。

TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为0.0003。

Rough=0mm，表示微带线表面粗糙度为0mm。

完成设置的微带线MSUB控件如图10.22所示。

图10.21微带线元器件面板

图10.22微带线参数设置

（2）在图10.21所示的微带线元器件面板上，选择MTEE插入到原理图的画图区，MTEE是微带线的T形结，可以将电路由一路分为两路，T形结的宽度分别用W1、W2和W3表示。

双击画图区的MTEE，在弹出的设置窗口中设置W1=1.5mm、W2=1.5mm和W3=1.5mm。

（3）在微带线元器件面板上选择MLIN，3次插入到原理图的画图区，MLIN是一段长度的微带线，可以设置这段微带线的宽度W和长度L。

分别双击画图区的3个MLIN，将它们的数值都设置为W=1.5mm和L=2.5mm。

（4）单击工具栏中的按钮，将前面的1个MTEE和3个MLIN连接起来，连接方式如图10.23所示。

（5）在原理图的元器件面板列表上，选择集总参数元器件【Lumped-Components】，元器件面板上出现与集总参数元器件对应的元器件图标，如图10.24所示。

图10.23　1个MTEE和3个MLIN连接

图10.24　集总参数元器件面板

（6）在图10.24所示的集总参数元器件面板上，分别选择电感L和电容C插入到原理图的画图区。

分别双击画图区的电感L和电容C，打开电感L和电容C的设置对话框，将电感L和电容C的数值分别设置为L=97.849nH和C=54.298pF。

（7）在微带线元器件面板上选择MLIN，插入到原理图的画图区，将它的数值设置为W=1.5mm和L=2.5mm。

单击工具栏中的按钮，将该MLIN接地。

（8）将电感和电容与微带线连接起来，连接方式如图10.25所示。

低通滤波器由5个元器件构成，图10.25为5元器件滤波器中的2元器件连接图。

图10.25　5元器件滤波器中的2元器件连接图

（9）用与上面相同的方法，将低通滤波器的其余3个元器件插入到画图区，并同样采用微带线的T形结和微带线MLIN连接电感和电容，5个元器件的低通滤波器如图10.26所示。

图10.26　5元器件低通滤波器

在图10.26中，所有电感和电容的取值如下。

C1=54.298pF

L1=97.849nH

C2=80.879pF

L2=97.849nH

C3=54.298pF

在图10.26中，所有T形结MTEE的设置如下。

W1=1.5mm

W2=1.5mm

W3=1.5mm

在图10.26中，所有微带线MLIN的设置如下。

W=1.5mm

L=2.5mm

（10）选择S参数仿真元器件面板，在元器件面板上选择负载终端Term，两次插入到原理图中，定义负载终端Term1为输入端口，负载终端Term2为输出端口。

在原理图工具栏中单击按钮，将地线（GROUND）两次插入原理图，让负载终端Term接地。

（11）单击工具栏中的按钮，将原理图中的负载终端Term和低通滤波器连接起来，连接方式如图10.27所示。

3．原理图仿真与调谐

在仿真之前，首先设置S参数仿真控件SP，SP对原理图中的仿真参量给出取值范围，当S参数仿真控件SP确定后，就可以仿真了。

图10.27　带有终端负载的低通滤波器原理图

（1）在S参数仿真元器件面板上，选择S参数仿真控件SP，插入到原理图的画图区，对S参数仿真控件SP设置如下。

单击S参数仿真控件设置窗口中的【OK】按钮，完成对S参数仿真控件的设置，S参数仿真控件SP如图10.28所示。

图10.28　S参数仿真控件

（2）现在可以对原理图仿真了。

（3）数据显示视窗的初始状态没有任何数据显示，用户自己选择需要显示的数据和数据显示的方式，这里选择的步骤如下。

在S21曲线上插入三个Marker，S21曲线如图10.29所示。

0.492dB。

1.876dB。

47.524dB。

比较图10.29与图10.20可以看出，在原理图中添加微带线后，S21曲线发生变化，这是由于微带线产生了相移和衰减，但由于低通滤波器的通带频率较低，S21曲线变化不大。

（4）图10.29与图10.20的曲线有差异，图10.20的曲线在100MHz时不满足技术指标，需要调整原理图。

下面采用调谐来改变电感和电容的取值，以期达到合格的曲线。

按下键盘中的Shift键，同时用鼠标分别选中原理图中的电感L1、电容C2和电感L2，然后释放shift键，这时原理图中的电感L1、电容C2和电感L2颜色发生改变，如图10.30所示。

图10.29低通滤波器数据显示

图10.30在原理图中选中电感L1、电容C2和电感L2

（5）单击工具栏中的按钮，对电路调谐进行设置并调谐。

单击按钮后，同时弹出三个窗口，这三个窗口分别是参数调谐窗口【TuneParameters】、仿真状态窗口和数据显示窗口，其中数据显示窗口与图10.29完全一样，这是因为原理图中的两个电感和一个电容还都是初始值，没有被调谐。

参数调谐窗口如图10.31所示。

（6）在图10.31所示的参数调谐窗口，保持默认设置状态，然后单击原理图中的电感L1，弹出【InstanceTuneParameters】窗口，在该窗口中选中L，如图10.32所示。

（7）单击【InstanceTuneParameters】窗口中的【OK】按钮，关闭该窗口，同时调谐窗口TuneParameters中出现电感L1的调谐范围，调谐的各参数含义如下。

Value值。

该值开始时是原理图中电感的初始值，当调谐开始后，为电感调谐后的值。

Max值。

该值是电感调谐的最大值。

Min值。

该值是电感调谐的最小值。

图10.31调谐窗口的初始状态

图10.32调谐元器件选择窗口

Step值。

该值是电感调谐的间隔。

上述参数中，Max、Min和Step值可以更改范围。

（8）用同样的方法，让电感L2和电容C2的调谐范围也出现在调谐窗口【TuneParameters】中，也就是说电感L1、电容C2和电感L2三个元器件都将调谐，调谐窗口如图10.33所示。

图10.33带有三个元器件调谐范围的调谐窗口

（9）在调谐窗口【TuneParameters】中，保持Max、Min和Step数值的默认状态，然后手动调节电感L1、电容C2和电感L2的数值滚动条，更改它们的数值，可以看到调谐窗口【TuneParameters】中的Value值在不断变化，同时数据显示视窗中的S21图形也在不断变化。

（10）通过调谐电感L1、电容C2和电感L2的值，使S21的曲线达到满意结果后，单击调谐窗口中的【UpdateSchematic】按钮，然后单击【Close】，关闭调谐窗口。

（11）单击数据显示视窗中的按钮，保存调谐后的曲线，这时数据显示视窗中的曲线如图10.34所示，在三个Marker处，S21的值如下。

0.569dB。

0.175dB。

45.472dB。

由图10.34可以看出，曲线满足技术指标。

图10.34调谐后的曲线

（12）这时原理图中的电感L1、电容C2和电感L2已经更新为调谐后的值，电感L1、电容C2和电感L2值如下。

L1=89.0511nH。

C2=78.3572pF。

L2=91.4538nH。

实验结果仿真图：

图

（1）原理图

图

（2）

图（3）

图（4）

图（5）

图（6）

图（7）

实验心得：

通过本次实验，我掌握了利用ADS仿真滤波器电路的方法，同时，我还理解了有关电路与设计原理。