低通滤波器报告.docx
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低通滤波器报告
课程设计
题目低通微带阶梯阻抗滤波器的设计
学生姓名学号1113014139
所在院（系）物理与电信工程学院
专业班级电子1104
指导教师聂翔
完成地点博远楼计算机实验室
2014年12月25日
1.引言-1-
2.ADS简介-1-
3.微波滤波器介绍-1-
3.1微波滤波器概述-1-
3.2滤波器的主要参数（Definitions）-1-
3.3滤波器的衰减特性-3-
4低通微带阶梯阻抗滤波器设计-3-
4.1短传输线段的近似等效电路-3-
4.2低通微带阶梯阻抗滤波器的设计指标-4-
4.3低通微带阶梯阻抗滤波器的设计步骤-4-
5.原理图仿真与优化-9-
6．生成阶梯阻抗低通滤波器版图-14-
7.版图仿真-15-
8．结论及总结-16-
参考文献：
-17-
1.引言
当频率不高时，集总元件滤波器工作良好，但当频率达到或接近GHz时，滤波器通常由分布参数元件构成，这是由于两个原因造成的，其一是频率高时电感和电容应选的元件值过小，由于寄生参数的影响，如此小的电感和电容已经不能再使用集总参数元件，其二是此时工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，滤波器元件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。
分布参数滤波器的种类很多，本文讨论的分布参数低通滤波器采用微带短截线实现，本文将给出由集总元件低通滤波器变换为分布参数低通滤波器的方法，并采用ADS软件对微带低通滤波器进行仿真，给出符合技术指标的微带低通滤波器版图。
2.ADS简介
ADS（AdvancedDesignSystem），是美国安捷伦（Agilent）公司推出的一套电子设计自动化软件，它的功能十分强大，仿真手段丰富多样，包含时域电路仿真、频域电路仿真、三维电磁仿真、通信系统仿真以及数字信号处理仿真设计等等，并能够对设计结果进行成品率的分析与优化，很大程度地提高了复杂电路的设计效率，是一款非常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。
3.微波滤波器介绍
3.1微波滤波器概述
在微波波段的滤波器可以通过多种方式来实现，包括同轴线，波导，介质谐振器，微带线等。
在平面电路中最常用的是微带型滤波器，微带线滤波器具有小尺寸，用光刻技术易于加工易与其他有源电路元件（如MMIC）集在一起；另外，它能通过采用不同的衬底材料在很大的频率范围内（从几MHz到几十GHz）应用。
下面是几种常见结构的滤波器：
平行耦合微带线滤波器、交指型滤波器、发夹型滤波器。
其中半波长平行耦合微带线带通滤波器是微波集成电路中广为应用的带通滤波器形式，其结构紧凑，第二寄生通带的中心频率位于主通中心频率的3倍处，适应频率范围大、，适用于宽带滤波器时相对带宽达20％。
其缺点为插损较大，同时，谐振器在一个方向依次摆开，造成滤器在一个方向上占用了较大空间。
3.2滤波器的主要参数（Definitions）
中心频率（CenterFrequency）：
滤波器通带的频率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。
窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。
截止频率（CutoffFrequency）：
指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。
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）范围内，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
、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（
），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时微带线的宽度和长度。
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
并联电容
15Ω
43.7º
12.86mm
7.68mm
4
串联电感
120Ω
29.4º
0.40mm
5.81mm
5
并联电容
15Ω
29.3º
12.86mm
5.15mm
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】＞【SendSelectedComponentToLineCalc】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范围，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。
其余的选项保持默认状态。
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RangeVar[1]为freq。
变量选为频率。
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。
其余的选项保持默认状态。
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，记录了频率扫描范围、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，矩形图横轴为频率范围，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【DeactiveorActiveComponent】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。
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