1、射頻技術歐陽家百(2021.03.07)課程設計報告題目平行耦合線帶通濾波器基于ADS的設計專業學號通信工程學號學生姓名指導教師4月16日帶通濾波器(1) 簡介帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內的頻率分量，但將其 他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶阻濾波器的概 念相對。一個模擬帶通濾波器的例子是電阻電感電容電路(RLC circuit)o這些濾波器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來產 生。(2) 工作原理個理想的帶通濾波器應該有一個完全平坦的通帶，在通帶內 沒有放大或者衰減，并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉， 啟外，通帶外的轉換在極小的頻率范圍完成。實際上，并不存在理想的帶通濾

2、波器。濾波器并不能夠將期望 頻率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有 個被衰減但是沒有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現 象，并且使用每十倍頻的衰減幅度的dB數來表示。通常，濾波 器的設計盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設 計更加接近。然而，隨著滾降范圍越來越小，通帶就變得不再平 坦，開始出現“波紋二這種現象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種 效應稱為吉布斯現象。除了電子學和信號處理領域之外，帶通濾波器應用的一個例子 是在大氣科學領域，很常見的例子是使用帶通濾波器過濾最近3 到10天時間范圍內的天氣數據，這樣在數據域中就只保留了作 為擾動的氣旋。在頻帶較低的剪切頻率

3、fl和較高的剪切頻率f2之間杲共振 頻率，這里濾波器的增益最大，濾波器的帶寬就是f2和fl之間 的差值。(3) 典型應用許多音響裝置的頻譜分析器均使用此電路作為帶通濾波器，以歐陽索引創編選出各個不同頻段的信號，在顯示上利用發光二極管點亮的多少 來指示出信號幅度的大小。這種有源帶通濾波器的中心頻率， 在中心頻率f0處的電壓增益A0二B3/2B1,品質因數，3dB帶寬 B=l/(n*R3*C)也可根據設計確定的Q、f0、A0值，去求出帶通 濾波 器的各 元件參 數值。Rl=Q/(2nfoAoC), R2=Q/(2Q2Ao)*2nfoC), R3=2Q/(2nfoC)o 上式中，當 fO=lKHz

4、時，C取O.OlUfo此電路亦可用于一般的選頻放大。此電路亦可使用單電源，只需將運放正輸入端偏置在1/2V+ 并將電阻R2下端接到運放正輸入端既可。二.平行耦合線(1) 簡介平行耦合帶通濾波器帶通濾波器是一種分布參數濾波器濾波 器，它是由微帶線或耦合微帶線組成，其具有重量輕.結構緊 湊、價格低、可靠性高、性能穩定等優點，因此在微波集成電路 集成電路中，它杲一種被廣為應用的帶通濾波器。濾波器的基礎 是諧振電路，它杲一個二端網絡，對通帶內的頻率信號呈現匹 配傳輸，對阻帶頻率信號失配而進行發射衰減，從而實現信號頻 譜過濾功能。微波帶通濾波器在無線通信系統通信系統中起著至 關重要的作用，尤其是在接收機

5、前端。濾波器性能的優劣直接影 響到整個接收機性能的好壞，它不僅起到頻帶和信道選擇的作 用，而且還能濾除諧波，抑制雜散。(2) 工作原理邊緣耦合的平行耦合線由兩條相互平行且靠近的微帶線構 成。根據傳輸線理論及帶通濾波器理論，帶通濾波元件是由串臂 上的諧振器和并臂上的諧振器來完成，但是在微帶上實現相間的 串聯和并聯諧振元件尤為困難，為此可采用倒置轉換器將串并聯 電路轉化為諧振元件全部串聯或全部并聯在線上。因此，單個耦 合微帶濾波器單元能夠等效成一個導納倒置轉換器和接在兩邊傳 輸線段的組合。(3) 參數的調試需要調試的參數主要有以下幾個：輸入輸出端的反射參數 Sil, S22;通帶內衰減和阻帶內衰減

6、S21, S12;群延時910。 通過對以上參數的測量就可以得到微帶濾波器的各項參數。測量 完成后，觀察網絡分析儀的測量結果是否達到指標要求，并把結 果與實際測量結果相比較。如果測試結果與設計要求相差過多， 則需要對電路進行調整，直至重新進行設計、制板。三、具體設計(1) ADS軟件介紹ADS電子設計自動化(ADS軟件全稱為Advanced Design System,杲美國安捷倫公司所生產擁有的電子設計自動化軟件； ADS功能十分強大，包含時域電路仿真(SPICElike Simulation).頻域電路仿真(Harmonic Balance Linear Analysis)、三維電磁仿 真

7、(EM Simulation)、通信系統仿真(Communication System Simulation)和數字信號處理仿真設計(DSP);支持射頻和系統 設計工程師開發所有類型的RF設計，從簡單到復雜，從離散的 射頻/微波模塊到用于通信和航天/國防的集成MMIC,是當今國 內各大學和研究所使用最多的微波/射頻電路和通信系統仿真軟 件軟件。ADS軟件版本有 ADSA、ADSA、ADSC、ADSA、 ADSC 和 ADSA 等。(2)設計步驟設計指標：通帶3.0-3.1GHz,帶內衰減小于2dB,起伏小于 MB, 2.8GHz以下及3.3GHz以上衰減大于40dB,端反射系數 小于20dB。

8、(微帶板材FR4,厚度1.6MM)微帶線參數H:基板厚度(1.6 mm) Er:基板相對介電常數(43)Mur:磁導率Cond:金屬電導率(5.88E+7)Hu:封裝高度(1.0e+33 mm)T:金屬層厚度(0.03 mm) TanD:損耗角正切(lc4) Roungh:表廂粗糙 度(0 mm) 在進行設計時，主要是以濾波器的S參數作為優化目標進行優 化仿真。S2KS12)是傳輸參數，濾波器通帶.阻帶的位置以及衰 減、起伏全都表現在S2KS12)隨頻率變化曲線的形狀上。S1KS22)參數是輸入、輸出端的反射系數，由它可以換算出輸 歐陽索引創編入、輸出端的電壓駐波比。如果反射系數過大，就會導致

9、反射損 耗增大，并且影響系統的前后級匹配，使系統性能下降。圖31微帶帶通濾波器模型及其等效電路圖 首先根據濾波器參數指標，計算出濾波器低通歸一化頻 率，查切比雪夫濾波器衰減特性表得濾波器級數n,同時查切比 雪夫濾波器元件參數表可知具有帶內波紋0.1 db的6階切比雪夫 標準低通濾波器參數。 根據濾波器設計要求得到濾波器帶寬，從而根據公式得到 參數和奇偶模阻抗的值。 選定電路板材參數如下：厚度h為1.6mm,介電常數為 4.2,相對磁導率nun為1,電導率cond為5.88e+7,金屬層厚度 為0.03mm。使用ads中的計算工具linecalc計算微帶線的寬度 w、間距s和長度1。由此得到的各

10、耦合段物理尺寸參數。 原理圖的仿真優化。將上述結構尺寸輸入ads中，并設置 介質參數和掃頻參數，逬行原理圖仿真，其仿真結果如圖4所 示，可見中心頻率出現了明顯的偏移現象。這杲由于在設計平行 耦合微帶帶通濾波器時沒有考慮邊緣場效應的影響，為此需要進 行優化設定優化目標及優化控制器參數。 微帶濾波器的實際電路是由電路板和微帶線構成行計算得 出的，實阪電路的性能可能會與原理仿真圖的結果有很大的差 別。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行仿真，其結果比 在原理圖中仿真更加準確。因此，可以將原理圖生成版圖進行矩 量法(momentm)仿真。仿真得到的曲線不能滿足指標要求，那么 要重新回到原理圖窗進行優

11、化仿真，產生這種情況的原因是相 鄰耦合線節間的線寬相差過大或者其他參數取值不適合，這些可 以改變優化變量的初值，也可以根據曲線與指標的差別情況適當 調整優化目標側參數，重新進行優化。需要調試的參數主要有以下幾個：輸入輸出端的反射參數 sll, s22;通帶內衰減和阻帶內衰減s21。sl2;群延時910。通過 對以上參數的測量就可以得到微帶濾波器的各項參數。測量完成 后，觀察網絡分析儀的測量結果杲否達到指標要求，并把結果與 實際測量結果相比較。如果測試結果與設計要求相差過多，則需 要對電路進行調整，直至重新進行設計、制板。四、測試與分析分析：測試的結果盡管不是特別完美，但還是達到了設計指標的 要

12、求，是微帶帶通濾波器的其中的一種，也可能跟焊接和設計制 作些關系。以后如果涉及到此項內容，希望自己可以做到更好。設計指標：通帶3.0-3.1GHz,帶內衰減小于2dB,起伏小于 MB, 2.8GHz以下及3.3GHz以上衰減大于40dB,端反射系數 小于20dBo五. 仿真圖.測試圖濾波器原理圖：原理圖仿真曲線：用于生成版圖的原理圖：版圖仿真結果：版圖仿真曲線：電路板圖：六、誤差分析與心得誤差分析：(1) 所用電路板是普通的雙層板，上層用來繪制電路，下層整個 作為接地。在受加工工藝的限制，尺寸精度到0.01 mm即可，線 寬和縫隙寬度要大于0.2mm(2) 考慮到加工電路板時的側向腐蝕冋題，微帶線的寬度和長度 要適當增加。在焊接技術方面，也需要得到很大的提高，因為焊點令影響 到最后測量的結果與數據。最后測量時，也應排出外來干擾。心得體會：通過從耦合微帶線的基本理論出發，根據利用ADS來進行微 帶帶通濾波器的設計方法，設計出一個達到預期效果的微帶帶通 濾波器。學會并利用ADS軟件可以大大減少我們的設計時間和 工作量，并且提高了效率降低了制作