低通滤波器报告Word文档格式.docx

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通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。

相对损耗的参考基准为：

低通以DC处插损为基准，高通则以未出现寄生阻带的足够高通带频率处插损为基准。

通带带宽（BWxdB）：

指需要通过的频谱宽度，BWxdB=（f2-f1）。

f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准，下降X（dB）处对应的左、右边频点。

通常用X=3、1、0.5即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB表征滤波器通带带宽参数。

分数带宽（fractionalbandwidth）=BW3dB/f0×

100[%]，也常用来表征滤波器通带带宽。

插入损耗（InsertionLoss）：

由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗，以中心或截止频率处损耗表征，如要求全带内插损需强调。

纹波（Ripple）：

指1dB或3dB带宽（截止频率）X围内，插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰-峰值。

带内波动（PassbandRiplpe）：

通带内插入损耗随频率的变化量。

1dB带宽内的带内波动是1dB。

带内驻波比（VSWR）：

衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。

理想匹配VSWR=1：

1，失配时VSWR<

1。

对于一个实际的滤波器而言，满足VSWR<

1BWdBBWdBdiv>

在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Vmax，形成波腹；

在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin，形成波节。

其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。

这种合成波称为行驻波。

驻波比是驻波波腹处的电压幅值Vmax与波节处的电压幅值Vmin之比。

回波损耗（ReturnLoss）：

端口信号输入功率与反射功率之比的分贝（dB）数，也等于|20Log10ρ|，ρ为电压反射系数。

输入功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。

回波损耗，又称为反射损耗。

是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射。

从数学角度看，回波损耗为-10lg[（反射功率）/（入射功率）]。

回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响。

阻带抑制度：

衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。

该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。

通常有两种提法：

一种为要求对某一给定带外频率fs抑制多少dB，计算方法为fs处衰减量As-IL；

另一种为提出表征滤波器幅频响应与理想矩形接近程度的指标——矩形系数（KxdB<

1），KxdB=BWxdB/BW3dB，（X可为40dB、30dB、20dB等）。

滤波器阶数越多矩形度越高——即K越接近理想值1，制作难度当然也就越大。

延迟（Td）：

指信号通过滤波器所需要的时间，数值上为传输相位函数对角频率的导数，即Td=df/dv。

带内相位线性度：

该指标表征滤波器对通带内传输信号引入的相位失真大小。

按线性相位响应函数设计的滤波器具有良好的相位线性度。

3.3滤波器的衰减特性

因通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性,即式中,Pin和PL分别为输出端接匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率。

随着频率的不同其数值不同，这就是滤波器的衰减特性。

根据衰减特性,滤波器分为低通、高通、带通和带阻四种。

这四种微波滤波器的特性都可由低通原型特性变换而来。

上式仅表示某个频率的衰减。

为了描述衰减特性与频率的相关性,通常使用数学多项式来逼近滤波器特性。

最平坦型用巴特沃士（Butterworth）,等波纹型用切比雪夫（Tchebeshev）,陡峭型用椭圆函数型（Elliptic），等延时用高斯多项式（Gaussian）。

下表给出这四种类型滤波器的基本特性。

对于微波应用，集总元件电路必须变更到由传输线段组成的分布元件，理查德（Richard）变换和科洛达（Kuroda）恒等关系提供了这个手段。

4低通微带阶梯阻抗滤波器设计

4.1短传输线段的近似等效电路

阶梯阻抗低通滤波器是由特性阻抗很高或很低的短传输线段构成，短传输线段的近似等效电路需要讨论。

一段特性阻抗为

c:

\iknow\docshare\data\images.51cto\files\uploadimg\20111121\091219445.jpg、长度为L的传输线的Z矩阵为

一段传输线的网络参量与集总元器件T形网络的网络参量有等效关系。

集总元器件T形网络的Z矩阵为

假定集总元器件T形网络由电感和电容构成，若假定传输线有大的特性阻抗和短的长度（c:

\iknow\docshare\data\images.51cto\files\uploadimg\20111121\091417418.jpg

），一段短传输线与集总元器件T形网络的等效关系为

从前面的讨论可以知道，一段特性阻抗很高的传输线可以等效为串联电感。

而且传输线的特性阻抗越高所需的传输线长度越短；

一段特性阻抗很低的传输线可以等效为并联电容，而且传输线的特性阻抗越低所需的传输线长度也越短。

正是因为上面的原因，等效为电感的传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最大值，等效为电容的传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最小值。

4.2低通微带阶梯阻抗滤波器的设计指标

学习微波滤波器设计原理与流程，使用ADS软件中传输线分析综合工具计算微带线的宽度和长度，最终实现滤波器的综合和仿真。

设计微带线阶梯阻抗低通滤波器，要求截止频率为3GHz，通带内波纹为0.5dB，在6GHz处具有不小于40dB的衰减，系统输入、输出阻抗为50Ω，微带线厚1mm，介质相对介电常数为2.7，选微带线特性阻抗最大值Zh=120Ω，特性阻抗最小值Zl=15Ω。

4.3低通微带阶梯阻抗滤波器的设计步骤

1．创建项目

下面将创建一个分布参数低通滤波器项目，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MicrostripFilter_Lowpass，默认的长度单位选为millimeter。

（3）单击【NewProject】对话框中的【OK】按钮，完成创建分布参数低通滤波器项目。

2．创建原理图

在MicrostripFilter项目中创建一个阶梯阻抗低通滤波器的原理图，这个原理图命名为untitled2。

创建原理图的步骤如下：

①在主视窗中选择【File】菜单＞【NewDesign】,弹出【NewDesign】对话框，在【NewDesign】对话框中，输入新建的原理图名称untitled2，并选择对话框【CreateNewDesignin】项中的NewSchematicWindow（新建原理图视窗），以及选择【SchematicDesignTemplates】

（原理图设计模版）项中的none,【NewDesign】对话框如图1所示。

②单击【NewDesign】对话框中的【OK】按钮，完成创建原理图，新建的原理图untitled2自动打开。

图1创建阶梯阻抗低通滤波器原理图

3．利用ADS微带线的计算工具完成对微带线的计算

①在原理图untitled2上，选择【tools】菜单＞【LineCalc】＞【StartLineCalc】命令，弹出【LineCalc】计算窗口，【LineCalc】计算窗口如图2所示。

图2计算微带线的尺寸

②在【LineCalc】计算窗口，在已知传输线的特性阻抗和相移的前提下，计算微带线的宽度和长度。

在【LineCalc】计算窗口选择如下

⑴Type选择为MLIN，意为计算微带线。

⑵Er=2.7，表示微带线基板的相对介电常数为2.7.

⑶Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1.

⑷H=1mm，表示微带线基板的厚度为1mm。

⑸Hu=1.0e+033mm，表示微带线的封装高度为1.0e+033mm。

⑹T=0.05mm，表示微带线的导体层厚度为0.05mm。

⑺Cond=5.8E+7，表示微带线导体的电导率为5.8E+7。

⑻TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为0.0003.

⑼Rough=0mm，表示微带线表面粗糙度为0mm。

⑽Freq=3GHz，表示计算时采用频率3GHz。

⑾Z0=15Ohm，表示计算时特性阻抗采用15Ω。

⑿E_Eff=29.3deg，表示计算时微带线的长度时，采用29.3º

相移。

上述设置完成后，单击【LineCalc】计算窗口中的Synthesize按钮，在【LineCalc】窗口中显示出计算结果如下。

W=12.86mm，表示微带线的宽度为12.86mm。

L=5.15mm，表示微带线的长度为5.15mm。

③继续是用【LineCalc】计算窗口进行计算，需要计算的数据如下

特性阻抗为120Ω，相移为29.4º

时微带线的宽度和长度。

特性阻抗为15Ω，相移为43.7º

特性阻抗为50Ω时，微带线的宽度。

通过上述计算得到的数据，是微带线阶梯阻抗低通老前辈的尺寸，滤波器的阶数是5阶，滤波器由5段传输线段构成。

由上述计算得到的微带线的宽度和长度列表如表1所示。

节

等效的元件

特性阻抗

相移

微带线的宽度

微带线的长度

1

并联电容

15Ω

29.3º

12.86mm

5.15mm

2

串联电感

120Ω

29.4º

0.40mm

5.81mm

3

43.7º

7.68mm

4

5

系统阻抗

50Ω

2.63mm

表1计算微带线的尺寸

4．设计原理图

在untitled2原理图上，根据图2.3搭建阶梯阻抗低通滤波器原理图电路，低通滤波器使用微带线搭建。

（1）在原理图的元件面板列表上，选择微带线【TLine-Microstrip】，元件面板上出现与微带线对应的元件图标。

（2）在微带线元件面板上选择MLIN，5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5个MLIN，将5个MLIN的数值分别设置如下

TL1微带线设置为宽度W=12.86mm，长度L=5.15mm。

TL2微带线设置为宽度W=0.40mm，长度L=5.81mm。

TL3微带线设置为宽度W=12.86mm，长度L=7.68mm。

TL4微带线设置为宽度W=0.40mm，长度L=5.81mm。

TL5微带线设置为宽度W=12.86mm，长度L=5.15mm。

（3）在微带线元件面板上选择MSTEP，6次插入原理图的画图区，MSTEP是微带线阶梯结，可以设置微带线阶梯结的宽度W1和宽度W2。

分别双击画图区的6个MSTEP，将6个MSTEP的数值分别设置如下。

MSTEP1微带线阶梯结设置为宽度W1=2.63mm，宽度W2=12.86mm。

MSTEP2微带线阶梯结设置为宽度W1=12.86mm，宽度W2=0.40mm。

MSTEP3微带线阶梯结设置为宽度W1=0.40mm，宽度W2=12.86mm。

MSTEP4微带线阶梯结设置为宽度W1=12.86mm，宽度W2=0.40mm。

MSTEP5微带线阶梯结设置为宽度W1=0.40mm，宽度W2=12.86mm。

MSTEP6微带线阶梯结设置为宽度W1=12.86mm，宽度W2=2.63mm。

（4）单击工具栏中的连线按钮，将前面原理图中的5个MLIN和6个MSTEP用导线连接起来，连接方式如图3所示。

图3.5个MLIN和6个MSTEP连接

（5）在微带线元件面板上，选择MSUB插入原理图的画图区。

在画图区中双击MSUB，设置结果如图4所示。

图4微带线参数设置控件

（6）利用ADS软件中的工具tools查验微带线TL1的电参数。

①单击原理图上的TL1，表示要计算TL1的电参数。

②然后选择【tools】菜单＞【LineCalc】＞【SendSelectedponentToLineCalc】命令，经过几秒钟的计算后，弹出【LineCalc】窗口。

③在【LineCalc】窗口中，图2.8所示的微带线参数已经赋值到【LineCalc】窗口中，微带线的宽度W和长度L也已经赋值到【LineCalc】窗口中。

④在【LineCalc】窗口中，将频率设置为3GHz，然后单击【LineCalc】计算窗口中的Analyze按钮，在【LineCalc】窗口中显示出微带线的电参数。

微带线TL1的电参数如下

微带线TL1的特性阻抗为14.998Ω。

微带线TL1的相移为29.299º

。

（7）选择S参数仿真元件面板，在元件面板上选择负载终端Term，两次插入原理图冬，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接地按钮，将地线两次插入原理图，让负载终端Term接地。

单击连线按钮，将负载终端Term和低通滤波器连接起来。

5.原理图仿真与优化

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X围，当S参数仿真控件SP确定后，就可以仿真了。

（1）在S参数仿真元件面板上，选择S参数仿真控件SP，插入原理图的画图区，对S参数仿真控件SP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0GHz，频率扫描的终止值设为7GHz，频率扫描的步长设为0.1GHz其余参数保持默认状态。

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

原理图如图5所示。

图5低通滤波器的原理图

（2）现在可以对原理图仿真了，在原理图工具栏中单击仿真按钮，运行仿真，仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。

（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。

①在数据显示视窗中，单击数据显示方式面板中的矩形图标，插入数据显示区。

②选择矩形图的横轴为频率，纵轴为用分贝（dB）表示的

.

③在

曲线上插入两个Marker，

曲线如图6所示。

④单击工具栏中的保存按钮，保存数据

图6

（4）由图6可以看出，

曲线在3GHz和6GHz处的值如下。

在3GHz处，

的值为-10.395dB。

在6GHz处，

的值为-38.594dB。

以上数据在6GHz处满足技术指标，在3GHz处不满足技术指标。

（5）图6的曲线不满足技术指标，需要调整原理图，下面对原理图进行优化。

（6）修改图6中电路元件的取值方式，将微带线和微带线阶梯结的宽度以及微带线的长度设置为变量，设置如下。

TL1微带线设置为宽度W=w2mm。

TL2微带线设置为宽度W=w1mm。

TL3微带线设置为宽度W=w2mm,长度L=lmm。

TL4微带线设置为宽度W=w1mm。

TL5微带线设置为宽度W=w2mm。

MSTEP1微带线阶梯结设置为宽度W1=2.63mm，宽度W2=w2mm。

MSTEP2微带线阶梯结设置为宽度W1=w2mm，宽度W2=w1mm。

MSTEP3微带线阶梯结设置为宽度W1=w1mm，宽度W2=w2mm。

MSTEP4微带线阶梯结设置为宽度W1=w2mm，宽度W2=w1mm。

MSTEP5微带线阶梯结设置为宽度W1=w1mm，宽度W2=w2mm。

MSTEP6微带线阶梯结设置为宽度W1=w2mm，宽度W2=2.63mm。

完成变量设置的原理图如图7所示

图7

（7）在原理图的工具栏中，选择变量【VAR】按钮，插入原理图的画图区。

在画图区中双击VAR，弹出【VariablesandEquations】设置对话框，在对话框中对变量w1、w2和l进行设置。

对变量w1设置如下。

在Name栏填入w1。

在VariableValue栏填入0.4。

单击【Tune/Opt/Stat/DOESetup】按钮，打开【Setup】设置窗口，在【Setup】窗口中，选择优化Optimization按钮，然后在OptimizationStatus栏选择Enabled,在Type栏选择Continuous,在Format栏选择min/max，在MinimumValue栏填入0.3，在MaximumValue栏填入0.6。

单击【OK】按钮结束对w1的设置。

（8）用同样的方法设置变量w2和l，设置如下。

导体带宽度w2的VariableValue值填入12.86，在MinimumValue栏填入10，在MaximumValue栏填入15。

微带线的长度l的VariableValue值填入7.68，在MinimumValue栏填入6.68，在MaximumValue栏填入7.68。

原理图中设置完成的VAR控件如图8

图8变量控件

（9）在原理图的元件面板列表上，选择优化元件【OPTIM/Stat/Yield/DOE】项，在优化的元件面板上，选择优化控件Optim插入原理图的画图区，并选择目标控件Goal插入原理图的画图区，共插入两个目标控件Goal。

（10）双击画图区的优化控件Optim，打开【NominalOptimization】窗口，在【NominalOptimization】窗口中设置优化控件，设置优化控件的步骤如下。

选择随机Random优化方式。

优化次数选择100次。

其余的选项保持默认状态。

（11）下面设置目标控件Goal1.双击目标控件1，设置如下。

选择Expr为dB（S（2，1））。

选择目标控件的期望值为用dB表示的

选择Min为-1.期望值S21的最小值为-1dB。

选择RangeVar[1]为freq。

变量选为频率。

选择RangeMin[1]为0GHz。

频率的最小值选为0GHz。

选择RangeMax[1]为3GHz。

频率的最大值选为3GHz。

1用同样的方法设置目标控件2,目标控件2的设置如下。

选择Expr为dB（S（2,1））。

选择目标控件的期望值为用dB表示的S21。

选择Max为-40。

期望值S21的最大值为-30dB。

选择RangeMin[1]为6GHz。

频率的最小值选为6GHz。

选择RangeMax[1]为6.1GHz。

频率的最大值选为6.1GHz。

2原理图中设置完成的优化控件和目标控件如图9所示。

图9设置完成的优化控件和目标控件

（12）现在的原理图如图10所示。

图10用于优化的低通滤波器原理图

现在可以对图10所示的原理图仿真了。

在原理图工具栏中单击仿真【Simulate】图标，运行仿真，仿真过程中弹出了仿真状态窗口，记录了频率扫描X围、变量取值和仿真花费的时间等。

仿真结束后，选择【Simulate】菜单>

【UpdateOptimizationValues】命令，将优化后的值保存在原理图中，优化后的电路元件值如下。

=435.636

=10.42

=6.77

=5.59

=5.151

（13）仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。

在数据显示视窗用矩形图表示

曲线，矩形图横轴为频率X围，纵轴是用分贝（dB）表示的

单击工具栏中的Marker按钮，在曲线3GHz和6GHz处各插入个标记，插入标记的

曲线如图11所示。

图11低通滤波器原理图优化数据

6．生成阶梯阻抗低通滤波器版图

（1）在原理图视窗上，去掉阶梯阻抗低通滤波器两个端口的Term、接地和优化控件，不让它们出现在生成的班图中，去掉的方法是单击原理图工具栏中的【DeactiveorActiveponent】按钮，然后单击两个端口的Term、接地、和优化控件，若Term、接地、优化控件打了红叉，表示已经关掉，这是阶梯阻抗低通滤波器如图12所示。

图12去掉Term、接地和优化控件的原理图

（2）选择原理图上的【Layout】菜单>

【Generate/UpdateLayout】，弹出【Generate/UpdateLayout】设置窗口，单击窗口上的【OK】按钮。

默认它的设置。

（3）完成版图的生成过程后，版图视窗会自动打开，画图区会显示刚刚生成的版图，如图13所示。

对比原理图和版图可以发现，原理图中构成滤波器电路的各种微带线元件模型，在版图中已经转化成实际微带线。

图13由阶梯阻抗低通滤波器原理图生成的版图

（4）选择版图工具栏上的端口Port，两次插入版图，输入端口设置为端口1，输出端口设置为端口2.

（5）下面设置微带线的基本参数。

为了使版图的仿真结果有效，必须使版