切比雪夫带通滤波器.docx
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切比雪夫带通滤波器
题目
学生姓名
所在院（系）
专业班级
指导教师
完成地点
课程设计
切比雪夫带通滤波器的设计
学号
物理与电信工程学院
电子1104
聂翔
博远楼计算机实验室
2014年1月08日
摘要
无论
微波滤波器在卫星通信、雷达技术、电子对抗及微波测量仪器中都有广泛的应用。
是发射机还是接收机，都需要选择特定频率的信号进行处理，滤除其他频率的干扰信号，这
就需要使用滤波电路来分离有用信号和干扰信号。
切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波
器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦，切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响
应曲线之间的误差最小。
本文借助ADS2008仿真软件，设计出一种切比雪夫带通滤波器,
简化了设计步骤，节省了设计时间。
关键字：
ADS软件带通滤波器切比雪夫
1设计方法与参数
3...
1.1将带通原型参数变换为低通原型参数；
3..
1.2参数计算
.4..
2软件仿真
.4.
2.1创建项目
.4..
2.2利用ADS的计算工具tools完成对微带滤波器的计算
5.
2.3设计原理图
.7..
2.4原理图仿真
.8...
2.5原理图优化
.1..0
2.6版图生成与仿真
.1..5
3设计心得：
1..6.
参考文献
1..7.
1设计方法与参数
设计带通滤波器的方法有很多种，但最为产检的是低通原型滤波器综合法和数值法,
两种方法与设计师多种可能解决方案之间的抉择紧密关联。
相对与巴特沃兹滤波器，切比雪
夫滤波器具有的较窄的过渡带，但这是以牺牲滤波器通带和阻带的波纹性换来的。
主要的技
术指标:
（1）中心频率f0:
2.5GHz;（中心频率f0Jff],fh、
fl分别为带通滤波器的上、下边
界频率。
）
（2）
输入输出阻抗：
50
带内波动：
3dB;（通带内插入损耗随频率的变化量）
相对带宽：
20%;（信号带宽与中心频率之比）
由低通原型滤波器变换为带通滤波器的公式为:
下边界频率。
BW
其中fof匚为带通滤波器中心频率，fh、fl分别为带通滤波器的上、为滤波器的带宽BW=fh-flo
依据切比雪夫低通滤波器原型的归一化元件值可得:
3阶带通滤波器元件值依次为:
g0=1.0、g1=1.5963、g2=1.0967、g3=1.5963、g4=1.0o
1.2参数计算
使用归一化设计参数g1-g4和归一化带宽BW可以得到通带滤波器的设计参数
Jn,n1
Z02jgngn1
BW
由上式的通带电路设计参数可以得到奇模和偶模特征阻抗，其值为:
ZO|i,i1Z01Z0Ji,i1
Z0Ji,i1
ZE|i,i1Z01Z0Ji,i1
2
Z0Ji,i1
式中Z0为特征阻抗，取值为50
将g0=1.0、g1=1.5963、g2=1.0967
、g3=1.5963、g4=1.0带入上述式中依次得到:
J0,1=0.0140、J1,2=0.0119、J2,3=0.0119、J3,4=0.0140
解出特征阻抗为:
奇模：
Zo|o,1=39.50、Zo1,2=37.95、Z。
［2,3=37.95、Z。
Isa=39.50
偶模：
ZE|0,1=109.50、Ze1x2=97.45、ZE|2,3=97.45、ZE|3,4=109.50
2软件仿真
2.1创建项目
启动ADS软件，弹出主视窗。
选择主视窗中的【file】菜单-＞【newproject】，弹
出【newproject】对话框，在【newproject】对话框输入项目名称和这个项目默认的长
NewfDesign汩
Hame
T/peNetwork
fiSAnaloe/KFNetwork（_）DigitalSignalrroceasiffetiork
CreateFewDesignin：
通flCurrtTitQNwvSeh绅讥icHi诃刖〔二］NawLayoiitWirid^w
DesienContent
回ScKematictfiiird
Schfima+icDssignTtmplktss（Dpticnal）
SonQ7
DasignTfichndliigyFiles：
ADSStandard：
Lsn^thimit—millimtttr
Help-
IISttasprsjSitdtfg忙
度单位。
2.2利用ADS的计算工具tools完成对微带滤波器的计算
ADS软件中的工具tools,可以对不同类型的传输线进行计算，使用者可以利用计算
抗，可以计算平行耦合微带
工具提供的图形化界面进行设计。
对于平行耦合微带线来说，可以进行物理尺寸和电参数之
间的数值计算，若给定平行耦合微带线奇模和偶模的特性阻
线导体带的角度和间隔距离。
下面利用ADS软件提供的计算工具，完成对平行耦合微带线
的计算。
在原理图上，选择【tools】菜单-＞【LineCalc】-＞【StartLineCalc】命令，弹
出【LineCalc】计算窗口。
如图示。
世UnflCak/urtitl&d
F3e計FLkdtkmOptbriTe"p
设置所需参数。
在【LineCalc】计算窗口选择如下:
Mur=1，表示微带线的相对磁导率为
H=1mm，表示微带线基板的厚度为1mm
Ze,表示计算时偶模的特性阻抗。
Zo，表示计算时奇模的特性阻抗。
2.3设计原理图
在原理图的元件面板列表中，选择【TLines-Microstrip】，元件面板上出现对应的元件图标。
在元件面板上选择Mcfil，4次插入原理图的画图区，可以设置这段微带线的导体
带宽度W，导体带间隔S和长度L。
分别双击画图区的4个Mcfil，将4个Mcfil的数值根
完成连线如下图
S.玄！
■訐匕
S
事苗聲7寺一fbsnm
■NIIHlw皐i召尋=03
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L-T
妙--
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-莒更M
--恳治冒
Uns
FTF•訂---玉覺昌尊■佥矣宇-套二"it-E气酋空--寻虽卓.'i空-
2.4原理图仿真
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。
在S参数仿真元件面板
【Simulation-S_Param】上，选择S参数仿真控件SP,插入原理图区，对S参数控件设
置如下start=1.0GHz，stop=4GHz，step=20MHz
S_Param
SPl
Start=1.0GHz
Stop=4GHz
■Step=20MHz
仿真后波形如下
ml
rnsq=1.940GH2aB（S（2J））7571
nn3
freq=2.440GHznfl2
rreq=2.900GHzdB（S（2」））二0.5飞
2.5
303.54.0
1.01.520
（（Lzsgp
freq,GHz
序号
频率
dB（S（2,1））
M1
1.940GHz
0.571
M2
2.900GHz
0.579
M3
2.440GHz
0.530
从图中得中心频率为2.44，出现偏移，且通带带宽太大，带内纹波和衰减不满足要求,
所以要进行优化。
2.5原理图优化
W、两个导体带的
修改平行微带线段的取值方式，将平行耦合微带线段的导体带宽度
间隔S和耦合微带线的长度L设置为变量，并设置相邻平行耦合微带线的尺寸，分别在下
面窗口中设置4段微带线
设置完成后，在原理图的工具栏选择【VAR】按钮，插入原理图的画图区。
在画图区双击
w1、s1、11、w2、
VAR，弹出【VariablesandEquations】对话框，在对话框中对变量s2、12的范围进行设置得到
VAR1
w1=2.026219{t）{o）
W2-2.5701{t}{o}
S1=0.27101
52=1,240136{t}{□）il=21.4913-[t}{o}12=21.0792
在原理图中插入优化控件Optim，双击优化控件Optim，设置优化次数为100次
OPTIM
Optimi
Optim1
OptimType-RandomUseAIIGoals-yes
'Maxlters=100-■SaveCuiTentEF=no-
DesiredErrDr=O,0
StatusLevell=4
FinalAnalysis="None"
[Slormal'izeGoals=no
SetBestValuea=yes
Seed二
Sa\fiSolns=yes
SayeGoals=yes
k・*・#・II・IIhhii
SaveOptiinVars=no
UpdateDataset=yes
Sa\jeNomjnal-no
Sa\fiAHIterations=no
JseAIIOpft/are=yQS
在原理图中插入3个目标控件GOAL,双击设置如下
GOAL
GOAL
goal
Ci5.-...
OpWnWoall
E?
ipr="d3（£（2.f）f
SlrnInstenceN'arfi'e-'SPl-
Min-05
Max=
R*fiS#V#Tll]=*Tr«,"
Panc#Min[l]=225GI-tE
RsfifleMa4il]i=£TSGHx
Cr?
...
OfjtimODaC.
Exp冃tlB（5但.1}|广
5imikistainceMame="SPll'-
Mfr»
MflEO
Weights[^ang«\^ar（1]=^q'RanoeMin[lJ=l,SSQl-tiRange9Ghi
-•.□刊■■■-■
OptimGoalS
Expr="（lB（S（2.1|j"Slirri'iinstarKeName=・S叭"Min-
Max=20
W■说trl=
Rsn.g#Vflr（l]='Trsq"Rjn.3eMinl1]=25Q吃
RangeMT3T^1]^.9lGHi
最后所得的优化原理图为
■---S'-尙£可理3希耶U:
De庄養P十話言赛零”Sj巫带和-畫§0--瞽豊詈uwasm--悟BJ嬰与出kic塞舊詈■U至冠jls=l®
<□1
尸■
-1」-
-兰耳巫耳
-苗=弓
S
瓷33
曇世.
土乓養岂
T壮弓
£g.
■Sr.
Gpc賣第/肖亠『■需茅-
R?
寻蛊•.首：
B查二豈畧-.宵W整巨Wit
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逬i
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宅至圣ET5RS
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t
-武nr笆司
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辰•-T*-T-kts-yslbr_•=.上■-I魚弓■?
■武皿弓5見M亘..Ssi蚩弓
_寿寺KS试蛊直-二敘S—a.着葺占运
晋一s
D1A或2
--W1'-
--豊rsanesttne萤.
-雹
:
麗兰或.--量倉堂---RjiMeWaBfl品管
■IWaG
:
Er更糞一一■.--hs豈自鱼「•
-■=^
鼻尊
....
--:
得到仿真的波形图如下,
m2
riecF3.1OOGHzdB（S（2,1）>1.954□ptltef=O
I]
HQ
-io
-+a
10
mil
frcq=2500GHidBra2,1））=-0956optt-er=-0
m1m
F普2.9DD3HZtaBCS（2,1）}=^）-57Spptlt6r=D
z
/
ss*a
fraq,
如上图所示，优化后并不满足设计要求。
最后通过工具栏中【
Simulate
【Tuning】
进行调谐。
如下图所示:
5injkltU
livzlndtOptru'«ra|
Nt5l4/DLS4blp..J
口Sr-vS13Jcrtv
n匸dsuicmu"
SLur•
Jrtei：
lit_y_.
Loitb灼CE
Vp4b.t«占走tidh牡E.亡
Cioil
HtLp
得到仿真图如下:
fed:
ids
zL
LI
=z
JZ
wZ
fd
『皿2P
00^0
£0
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R
Hu:
2.Z
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阮tp0.ni
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二HnT
込■]
[sJ
3
卜…]
|]_Lr.
£
g
^^（1.池
”“0置
m1
freq=2240（5HzdB（寅2/1）尸~0566
rn2
freq=2760GHzdB區（2j）Fa470
S11:
端口
S22:
端口
S12:
端口
S21:
端口
匹配时,
匹配时,
匹配时,
匹配时,
对于互易网络，有:
对于对称网络，有:
iD'-
-10-
-211—
-+D-
-M—
10
freq,G吃
1.52jD
端口
端口
端口
端口
的反射系数;
的反射系数;
到端口1的反向传输系数;
到端口2的正向传输系数;
S12=S21;
S11=S22
序号
频率
Db（S（2,1））
M1
2.240GHz
-0.566
M2
2.760GHz
-0.470
M3
2.400GHz
-3.410
M4
2.500GHz
-2.324
从上表可以看出:
M4为中心频率为2.5GHz在中心，满足技术指标,
M1为上边频2.24GHz,M2为下边频2.76GHz，满足技术指标
由M2和M3得带内波纹为2.940dB
相对带宽20%满足技术指标（2.24-2.76GHZ）
2.6版图生成与仿真
【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，如图所示。
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。
闻喜卜0tse-■齐咲氓爭:
#）言屢＞护得罪百令QiziOAPk-TtfeWaF.Pw*■Oi边缶、加keZT粘卜同斗"制2泊一
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3-X
Prr1^・th.
（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，必须使版图中微带线的基
本参数与原理图中微带线的基本参数一致。
选择版图视窗中的【Momentum】菜单＞
[Substrate】＞【UpdateFromSchematic
SirJafi111D'；■-CaliBet
命令，从原理图视窗得到微带线的基本参数。
20%的切比雪夫带通滤波器，并
本文以切比雪夫带通滤波器原理为基础，将传统的滤波器设计方法与利用微波电路仿真工具设计滤波器的方法相结合，设计了一个相对带宽为给出仿真结果，同时对仿真结果进行了分析。
仿真结果表明利用这种方法设计的切比雪夫带通滤波器达到了要求的指标，本次的设计是我们在学习ADS2008的基础上跟同组同学的讨
论，设计，遇到问题大家一起解决，也让我学到了与同学之间的合作。
本次设计遇到的难题是优化的时候，首先进行自动各个值设计为变量，并输入优化范围，如果还达不到要求，可以把优化范围扩大，优化次数加大，如果还没达到技术指标，可
以进行手动优化，本次我们设计采用自动优化和手动优化相结合。
1、徐兴福编著《
参考文献
ADS2008射频电路与仿真实例》电子工业出版社2009p99-139
p138-149
p129-163.
5、王子宇王心悦等译《射频电路设计-理论与应用》电子工业出社
2013.8:
p112-182
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