分布参数低通滤波器的仿真.docx
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分布参数低通滤波器的仿真
第11章 分布参数低通滤波器的仿真
当频率不高时，集总元器件滤波器工作良好，但当频率达到或接近GHz时，滤波器通常由分布参数元器件构成，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器件值过小，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器件；其二是此时工作波长与滤波器元器件的物理尺寸相近，滤波器元器件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。
本章讨论由分布参数构成的低通滤波器，分布参数低通滤波器可以由阶梯阻抗低通滤波器或短截线低通滤波器实现，本章主要介绍利用ADS软件设计分布参数低通滤波器的方法。
本章将首先给出分布参数低通滤波器的理论基础，然后讨论如何利用ADS软件设计、仿真、调谐与优化分布参数低通滤波器，针对微带线阶梯阻抗低通滤波器和短截线低通滤波器，本章将完成符合技术指标的滤波器原理图和布局图。
11.1 微带阶梯阻抗低通滤波器的仿真
阶梯阻抗低通滤波器也称为高低阻抗低通滤波器，它是一种结构简洁的电路，其由很高和很低特性阻抗的传输线段交替排列而成，结构紧凑，便于设计和实现。
本节将给出符合技术指标的微带线阶梯阻抗低通滤波器原理图，并由原理图给出阶梯阻抗低通滤波器版图。
11.1.1 微带阶梯阻抗低通滤波器的理论基础
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
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形网络的构成如图11.1所示。
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，如图11.2（a）所示，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
若假定传输线有小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，如图11.2（b）所示，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，如图11.2（c）所示，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。
设传输线能做到的特性阻抗的最大值和最小值分别为Zh和Zl，等效为串联电感和并联电容所需传输线的长度为
式（11.7）和（11.8）中，和是低通滤波器原型的元器件值，RS是滤波器阻抗。
2．阶梯阻抗低通滤波器的设计
下面设计微带线阶梯阻抗低通滤波器，设计的详细过程可以参阅人民邮电出版社出版的《射频电路理论与设计》。
要求截止频率为3GHz，通带内波纹为0.5dB，在6GHz处具有不小于30dB的衰减，系统阻抗为50Ω。
选微带线特性阻抗最大值=120Ω，特性阻抗最小值=15Ω。
设计微带线阶梯阻抗低通滤波器的步骤如下。
（1）根据波纹为0.5dB切比雪夫滤波器衰减随频率的对应关系，滤波器需为5阶，对应的切比雪夫低通滤波器原型元器件值为
（2）利用式（11.7）和（11.8）计算可以得到
（3）低通滤波器电路的示意图如图11.3所示，其中图11.3（a）为由低通滤波器原型元器件值构成的低通滤波器，图11.3（b）为微带线阶梯阻抗低通滤波器。
11.1.2 微带阶梯阻抗低通滤波器原理图的仿真
（1）
由上面微带线阶梯阻抗低通滤波器的理论基础，我们得到了微带线阶梯阻抗低通滤波器的电路基本结构，本节学习如何利用ADS微带线的计算工具完成微带线的计算，以及如何设计并仿真微带线阶梯阻抗低通滤波器的原理图。
微带线阶梯阻抗低通滤波器的设计指标如下。
滤波器响应为低通滤波器。
滤波器通带频率范围为0GHz到3GHz。
通带内衰减小于1dB。
在6GHz时衰减大于30dB。
系统特性阻抗选为50Ω。
设计滤波器时，选微带线特性阻抗的最大值为120Ω。
设计滤波器时，选微带线特性阻抗的最小值为15Ω。
微带线基板的厚度选为1mm，基板的相对介电常数选为2.7。
1．创建项目
下面将创建一个分布参数低通滤波器项目，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MicrostripFilter_Lowpass，默认的长度单位选为millimeter。
（3）【NewProject】对话框如图11.4所示，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_Lowpass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Filter_SteppedImpedance1。
创建原理图的方法很多，这里创建新原理图的步骤如下。
（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Filter_SteppedImpedance1，并选择对话框【CreateNewDesignin】项中的NewSchematicWindow（新建原理图视窗），以及选择【SchematicDesignTemplates】（原理图设计模板）项中的none，【NewDesign】对话框如图11.5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Filter_SteppedImpedance1自动打开。
3．利用ADS微带线的计算工具完成对微带线的计算
原理图设计中提供了多种计算工具，使用者可以利用计算工具提供的图形化界面进行设计。
ADS软件中的工具tools，可以对不同类型的传输线进行计算，对于微带线来说，可以进行物理尺寸和电参数之间的数值计算，例如，若给定微带线的特性阻抗，可以计算微带线的宽度。
下面利用ADS软件提供的计算工具，完成对微带线的计算。
（1）在原理图Filter_SteppedImpedance1上，选择【tools】菜单→【LineCalc】→【StartLineCalc】命令，弹出【LineCalc】计算窗口，【LineCalc】计算窗口如图11.6所示。
11.1.2 微带阶梯阻抗低通滤波器原理图的仿真
（2）
图11.6是【LineCalc】计算窗口的初始状态，在图11.6中各参量的含义如下。
Type为需要计算的传输线类型，有多种传输线类型供选择，默认的传输线类型为微带线。
SubstrateParameters表示传输线的基层参数，传输线有多种基层参数需要确定。
Er表示微带线基板的相对介电常数。
Mur表示微带线基板的相对磁导率。
H表示微带线基板的厚度。
Hu表示微带线的封装高度。
T表示微带线的导体层厚度。
Cond表示微带线导体的电导率。
TanD表示微带线中介质层的损耗角正切。
Rough表示微带线表面的粗糙度。
Freq表示在进行计算时采用的中心频率。
Physical表示传输线的物理结构，微带传输线的物理结构包括中心导带的宽带和长度。
W表示微带传输线中心导带的宽带。
L表示微带传输线中心导带的长度。
Electrical表示传输线的电指标，微带传输线的电指标包括特性阻抗和相移。
Z0表示计算时微带线特性阻抗的值。
E_Eff表示计算时微带线的相移。
Synthesize表示由微带线的电指标参数计算微带线的物理尺寸。
Analyze表示由微带线的物理尺寸计算微带线的电指标参数。
（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。
Type选择为MLIN，意为计算微带线。
Er=2.7，表示微带线基板的相对介电常数为2.7。
Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。
H=1mm，表示微带线基板的厚度为1mm。
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。
Cond=5.8E+7，表示微带线导体的电导率为5.8E+7。
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。
Freq=3GHz，表示计算时采用频率3GHz。
Z0=15Ohm，表示计算时特性阻抗采用15Ω。
E_Eff=29.3deg，表示计算时微带线的长度时，采用29.3°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。
这时的【LineCalc】计算窗口如图11.7所示。
（3）继续使用【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29.4°时微带线的宽度和长度。
特性阻抗为15Ω，相移为43.7°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滤波器的尺寸，滤波器的阶数为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下。
11.1.2 微带阶梯阻抗低通滤波器原理图的仿真（3）
表11.1 计算微带线的尺寸
节
等效的
元器件
特性阻抗
相移
微带线
的宽度
微带线
的长度
1
并联电容
15W
29.3°
12.86mm
5.15mm
2
串联电感
120W
29.4°
0.40mm
5.81mm
3
并联电容
15W
43.7°
12.86mm
7.68mm
4
串联电感
120W
29.4°
0.40mm
5.81mm
5
并联电容
15W
29.3°
12.86mm
5.15mm
系统阻抗
50W
2.63mm
4．设计原理图
在Filter_SteppedImpedance1原理图上，根据图11.3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11.8所示。
（2）在微带线元器件面板上选择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）在微带线元器件面板上选择MSTEP，6次插入到原理图的画图区，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11.9所示。
11.1.2 微带阶梯阻抗低通滤波器原理图的仿真（4）
（5）在图11.8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，【MicrostripSubstrate】设置对话框如图11.10所示。
（6）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=2.7，表示微带线基板的相对介电常数为2.7。
Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。
Cond=5.8E+7，表示微带线导体的电导率为5.8E+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11.11所示。
（7）下面利用ADS软件中的工具tools，查验微带线TL1的电参数。
单击原理图上的TL1，表示要计算TL1的电参数。
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。
在【LineCalc】窗口中，图11.10所示的微带线参数已经赋值到【LineCalc】窗口中，微带线的宽带W和长度L也已经赋值到【LineCalc】窗口中。
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29.299°。
（8）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。
（9）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11.12所示。
11.1.2 微带阶梯阻抗低通滤波器原理图的仿真（5）
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。
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。
其余的参数保持默认状态。
单击S参数仿真控件SP设置窗口中的OK，完成对S参数仿真控件SP的设置，S参数仿真控件SP如图11.13所示。
（2）现在可以对原理图仿真了。
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。
（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2个Marker，S21曲线如图11.14所示。
单击工具栏中的按钮，保存数据。
（4）由图11.14可以看出，S21曲线在3GHz和6GHz处的值如下。
在3GHz处，S21的值为?
10.343dB。
在6GHz处，S21的值为?
38.582dB。
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11.14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11.12中电路元器件的取值方式，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。
11.1.2 微带阶梯阻抗低通滤波器原理图的仿真（6）
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11.15所示。
（7）在原理图的工具栏，选择变量【VAR】按钮，插入到原理图的画图区。
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11.16所示。
（9）在原理图的元器件面板列表上，选择优化元器件【Optim/Stat/Yield/DOE】项，在优化的元器件面板上，选择优化控件Optim插入到原理图的画图区，并选择目标控件Goal插入到原理图的画图区，共插入2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S21。
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。
（12）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?
30。
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。
（13）原理图中设置完成的优化控件和目标控件如图11.17所示。
11.1.2 微带阶梯阻抗低通滤波器原理图的仿真（7）
（14）现在原理图如图11.18所示。
（15）现在可以对图11.18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，优化后的电路元器件值如下。
w1=0.571946。
w2=10.5113。
l=6.68302。
（16）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S21曲线，矩形图横轴为频率范围，纵轴是用分贝（dB）表示的S21。
单击工具栏中的按钮，在曲线3GHz和6GHz处各插入个标记，插入标记的S21曲线如图11.19所示。
图11.19 低通滤波器原理图优化数据
由图11.19可以看出，S21曲线在3GHz和6GHz处的值如下。
在3GHz处，S21的值为?
0.683dB。
在6GHz处，S21的值为?
31.243dB。
以上数据满足技术指标。
11.1.3 微带阶梯阻抗低通滤波器版图的仿真
（1）
下面由阶梯阻抗低通滤波器的原理图生成版图，并对版图进行仿真。
由阶梯阻抗低通滤波器的原理图，可以生成与之对应的阶梯阻抗低通滤波器版图，对比原理图和版图可以发现，原理图中构成电路的各种微带线元器件模型，在版图中已经转化成实际微带线。
版图仿真是采用矩量法进行电磁仿真，对版图的仿真结果更符合电路实际环境，所以阶梯阻抗低通滤波器电路在原理图中仿真以后，还需要在版图中仿真。
用矩量法仿真是将版图电路分割成若干个部分，然后进行电磁仿真，如果分割的数量越多，仿真的结果就越精确，但花费的仿真时间也越长。
下面由原理图生成版图，并对版图加以仿真。
1．生成版图
（1）在原理图视窗上，去掉阶梯阻抗低通滤波器二个端口的Term、"接地"和"优化控件"，不让它们出现在生成的版图中，去掉的方法是单击原理图工具栏中的【DeactiveorActiveComponent】按钮，然后单击二个端口的Term、"接地"和"优化控件"，若Term、"接地"和"优化控件"打了红叉，表示已经被关掉，这时阶梯阻抗低通滤波器如图11.20所示。
要想重新开启Term、"接地"和"优化控件"，只需单击工具栏中的【DeactiveorActiveComponent】按钮，然后再单击Term、"接地"和"优化控件"，若Term、"接地"和"优化控件"的红叉消失，表示它们的功能被恢复了。
（2）选择原理图上的【Layout】菜单→【Generate/UpdateLayout】，弹出【Generate/UpdateLayout】设
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