1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。ADS2008巴特沃斯低通濾波器的設計巴特沃斯低通濾波器設計摘要：本論文主要介紹了仿真軟件ADS的運用，然后根據濾波器設計的數學理論模型，運用仿真軟件ADS進行低通濾波器的設計仿真，主要介紹了巴特沃斯低通濾波器的設計方法，并將集總參數轉換為分布參數Richards變換,利用雙口網絡演變而來的單位元件矩陣,論述了傳輸線結構之間的相互變換規則，即Kuroda規則。以及微帶線濾波器的設計，同時借助ADS軟件對所涉及的低通濾波器進行了仿真和優化，最終得到比較理想的濾波器。關鍵字：低通濾波器,巴特沃斯,微帶濾波器

2、,ADS.目錄HYPERLINKl_Toc123641緒論PAGEREF_Toc123641HYPERLINKl_Toc108781.1巴特沃斯濾波器的概述PAGEREF_Toc108781HYPERLINKl_Toc305281.2課程設計的意義PAGEREF_Toc305281HYPERLINKl_Toc99121.3課程設計的目的PAGEREF_Toc99121HYPERLINKl_Toc15342設計方案2HYPERLINKl_Toc55942.1設計要求2HYPERLINKl_Toc109102.2方案選擇2HYPERLINKl_Toc286552.3Richards變換原理2HYP

3、ERLINKl_Toc20602.4Kuroda恒等式變換3HYPERLINKl_Toc53223濾波器的設計與仿真4HYPERLINKl_Toc145123.1設計過程4HYPERLINKl_Toc150423.1.1創建工程4HYPERLINKl_Toc260533.1.2濾波器設計向導工具的使用4HYPERLINKl_Toc45993.1.3集總參數濾波器轉換為微帶濾波器5HYPERLINKl_Toc221083.1.4kuroda等效后仿真8HYPERLINKl_Toc75693.2原理圖優化與仿真9HYPERLINKl_Toc123893.3版圖生成與仿真PAGEREF_Toc123

4、8910HYPERLINKl_Toc230274總結PAGEREF_Toc2302713HYPERLINKl_Toc12786參考文獻PAGEREF_Toc12786141緒論1.1巴特沃斯濾波器的概述巴特沃斯濾波器是HYPERLINK/view/8553898.htmt_blank電子濾波器的一種。巴特沃斯濾波器的特點是通頻帶的頻率響應HYPERLINK/view/400.htmt_blank曲線最平滑。這種濾波器最先由HYPERLINK/view/3565.htmt_blank英國工程師斯替芬巴特沃斯（StephenButterworth）在1930年發表在英國無線電工程期刊的一篇論文中提

5、出的。巴特沃斯濾波器的特點是HYPERLINK/view/141526.htmt_blank通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。在HYPERLINK/view/29246.htmt_blank振幅的對數對角頻率的HYPERLINK/view/1935795.htmt_blank波特圖上,從某一邊界角頻率開始,振幅隨著角頻率的增加而逐步減少,趨向負無窮大。一階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻6分貝，每十倍頻20分貝。二階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻12分貝、三階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻18分貝、如此類推。巴特沃斯濾波器的振幅對角頻率單調下降，并且也是唯一

6、的無論階數，振幅對角HYPERLINK/view/2434449.htmt_blank頻率曲線都保持同樣的形狀的濾波器。只不過HYPERLINK/view/141368.htmt_blank濾波器階數越高，在阻頻帶振幅衰減速度越快。其他濾波器高階的振幅對角頻率圖和低級數的振幅對角頻率有不同的形狀。根據電路理論，濾波器的種類可分為低通、高通、帶通、及帶阻四種而歸一化低通濾波器是一個基本的結構單元,所有四類濾波器都可由此導出。對于頻率較低的射頻濾波器可采用分立元件實現,頻率的提高意味著波長的減小,而工作頻率超過500MHz時,由于工作波長與濾波器的物理尺寸相近,電阻、電容和電感這些元件的電響應將開

7、始偏離它們的理想頻率特性,從而造成了多方面的損耗并使電路性能嚴重惡化。因此,實際濾波器的設計必須將集總參數元件變換為分布參數元件。1.2課程設計的意義微波濾波器是一個二端口網絡，它通過在濾波器通帶頻率內提供信號傳輸并在阻帶內提供衰減的特性，用以控制微波系統中某處的頻率響應。典型的頻率響應包括低通、高通、帶通和帶阻特性。微波濾波器實際上已經應用與各類型的微波通信、雷達測試或測量系統中。微波濾波器的理論和實踐始于第二次世界大戰前幾年。濾波器設計的鏡像參量法是20世紀30年代后期開發的。使用鏡像參量法設計的濾波器，由較簡單的二端口濾波器節的級聯構成，以便提供所希望的截止頻率和衰減特性，但不能提供在整

8、個工作范圍內頻率響應的具體性質。所以用鏡像參量法設計濾波器雖然程序是相對簡單的，但為了達到所希望的結果，常常必須迭代多次。一種更現代的過程成為插入損耗法，該方法采用網絡綜合技術設計出有完整的特定頻率響應的濾波器。AgilentADS(AdvancedDesignSystem)是在HPEESOF系列EDA軟件基礎上發展完善起來的基于矩量法仿真的大型綜合設計，是美國安捷倫公司開發的大型綜合設計軟件，其強大的仿真設計大大提高了復雜電路的設計效率，使之成為設計人員的有效工具。該實驗采用插入損耗法，使用ADS軟件中傳輸線分析綜合工具計算微帶線的寬度和長度，最終實現濾波器的綜合和仿真。通過這種具有普遍性的

9、實驗方法的學習和實踐，可把書本的理論知識與工程實際相結合，加深對理論知識的理解，對培養實踐動手能力、觀察發現問題和解決問題的能力以及培養學生工程研究能力具有一定的現實意義。1.3課程設計的目的1了解微波濾波電路的原理及設計方法。2學習使用ADS軟件進行微波電路的設計，優化，仿真。3掌握微帶濾波器的制作及調試方法。2設計方案2.1設計要求設計一個巴特沃斯低通濾波器，使之滿足下列技術指標。輸入、輸出阻抗為50歐姆;截止頻率為3Ghz；3.9Ghz時損耗不小于15dB。方案選擇利用ADS自帶的集總方式得出巴特沃斯低通濾波器的階數，之后直接利用集總生成巴特沃斯低通濾波器，然后用Richards變換和k

10、uroda規則轉換把巴特沃斯低通濾波器中的電感、電容轉換為微帶線。2.3Richards變換原理為了將集總參數元件變換成分布參數元件，Richards提出了一種獨特的變換，該變換可將一段開路（短路）傳輸線等效于分布的HYPERLINK/info/4889.html電感（HYPERLINK/info/14.html電容）元件。由傳輸線理論知，一段特性阻抗為Z0的終端短路傳輸線具有純電抗性輸入阻抗：其中為電長度，為了使它與頻率的關系更加明顯，它也可以用以下方法來表式。若傳輸線的長度為08，而相應的工作頻率為，則電長度可表示：其中為傳播常數，vp為相速度，為歸一化頻率，將（3-3）式代人（3-2）式

11、，則電感性集總參數元件可以用一段短路傳輸線來實現：同理，電容性集總參數元件也可以用一段開路傳輸線來實現：利用Richards變換可以用特性阻抗Z0L的一段短路傳輸線替代集總參數電感，也可以用特性阻抗Z01C的一段開路傳輸線替代集總參數電容。由于傳輸線的長度選為08（也可選為04），變換過程將集總參數元件在0，）區間的頻率響應映射到0，4）區間，以及正切函數的周期性，使頻率響應被限制在0，2）區間。在將集總參數元件轉變成傳輸線段時，要分解傳輸線元件，也就是要插入單位元件（UE）來得到可以實現的電路結構。單位元件的電長度為：特性阻抗為ZUF。單位元件可以看成是一個二端口網絡，根據二端口理論，對于長

12、度為，阻抗特性為ZUE，傳播常數為，其HYPERLINK/stock-ic/ABCD.htmlABCD參量表達式為：(3-6)2.4Kuroda恒等式變換使用Richards變換后得到的濾波器實現方式需要使用遠端短路的串聯短截線。如果不用同軸傳輸線這類輔助手段，要在印制電路板上實現這些短路短截線是極其困難的。Kuroda恒等式允許將串聯短截線變換為并聯短截線，反之亦然。這是一個精確的變換，而不是一個逼近。這個變換需要引入一個被稱為“單位元件(UE)”的構建模塊。UE是一段在f1處長度為，歸一化特征阻抗為1的傳輸線。(a)和(b)演示了如何應用Kuroda恒等式完成串聯短截線和并聯短截線的互換。

13、圖2.2(a)串聯短截線到并聯短截線圖2.3(b)并聯短截線到串聯短截線3濾波器的設計與仿真3.1設計過程3.1.1創建工程運行并打開ADS主窗口，然后創建一個濾波器工程，命名為“Butterworth_Prj”選擇長度單位為millimeter。3.1.2濾波器設計向導工具的使用（1）打開“Butterworth_Prj”工程，建一名為“lowpass”原理圖，執行菜單【DesignGuide】【Filter】，選擇“FilterControl”項，彈出對話框。（2）單擊圖標，在“FilterDG-All”面板中選擇一個雙端口低通濾波器模型，回到濾波器設計向導中，打開“FilterAssis

14、tant”標簽頁，濾波器類型選“MaximallyFlat”,即最平坦響應，也稱巴特沃斯響應。在設計向導中輸入濾波器參數如圖；FirstElement選為“Series”，即第一個元器件是串聯元器件，然后單擊【Redraw】就可看到切比雪夫響應曲線，如圖3.1所示。圖3.1巴特沃斯相應曲線（3）返回原理圖，雙擊濾波器元器件查看參數，屬性選“SetAll”單擊【Apply】，然后【OK】，此時濾波器所有參數都顯示出來。圖3.2濾波器模型及其參數（4）選擇濾波器模型，單擊圖標，得到濾波器的子電路，如圖3.3所示。圖3.3濾波器元器件的子電路（5）設置好后在濾波器設計向導中選擇“simulation

15、Assistant”標簽頁，“Start”為0，“Stop”為5GHz，“Step”為20MHz。（6）單擊【simulate】，開始仿真，仿真結果如圖3.4所示。圖3.4生成的巴特沃斯濾波器的響應曲線3.1.3集總參數濾波器轉換為微帶濾波器集總元件如電感和電容等，只是對有限的數值范圍有效，在微波頻率實現很困難，而且必須用分布元件來近似，在微波頻率，元件之間的距離是不能忽略的。這里需要采用Richards變換，將集總元件變換到傳輸線；同時采用Kuroda恒等式，以利用傳輸線段來分隔濾波器元件。由于這些附加的傳輸線段并不影響濾波器響應，這種類似的設計稱之為冗余濾波器綜合。設計濾波器時可吸收這些線

16、段的優點，以便改善濾波器的響應。（1）單擊濾波器設計向導中，打開濾波器轉換助手對話框，如圖3.5所示。選中“LCtoTLine”選項，單擊集總參數器件中串聯電感，在電感轉換頁面中單擊電感轉化按鈕，添加電感L1、L2，單擊【Transform】把電感轉化為短路串聯傳輸線。圖3.5轉化助手對話框（2）單擊返回到濾波器轉換助手對話框，單擊并聯電容，后單擊圖標，添加電容C1，單擊【Transform】把電容轉化為開路并聯傳輸線。如圖3.6所示。轉換后電路如圖3.7所示。圖3.6電容轉換頁面圖3.7LC轉換為短截線的電路圖（3）單擊返回到濾波器轉換助手對話框，選中“TlinetoTline(Kuroda

17、)”選項開始轉換，如圖3.8所示。圖3.8Kuroda轉換步驟（4）單擊“AddTransmissionLines”，在輸入輸出端口分別添加一個元器件，選中，然后【Add】及【Transform】，轉換后得到濾波器原理圖如圖3.9所示。圖3.9Kuroda轉換后的原理圖（5）選中“LC，TLinetoMicrostrip”選項，設置基片厚度為30mil,基片介電常數為4.4，單擊【Transform】，如圖3.10所示。圖3.10短截線到微帶線轉換步驟（6）選中濾波器元器件，單擊，得到子電路，如圖3.11所示。單擊可返回原理圖窗口。圖3.11轉化為微帶線后的電路圖kuroda等效后仿真完成微帶

18、濾波器設計后，需對該濾波器進行仿真，以驗其性能。在原理圖設計窗口中選擇“simulation-S_Param”元器件面板列表，添加兩個終端負載及S參量仿真控制器到原理圖中，完成設置的原理圖圖3.12所示。圖3.12濾波器原理圖仿真設置2）單擊工具欄中執行仿真，結束后放置兩個Marker點，用來查看頻率響應參數，如圖3.13所示。圖3.13微帶線濾波器仿真結果上面結果可以發現濾波器在3.9GH處的插入損耗為-25.074dB，基本滿足設計要求。因此，通過Kuroda轉換后就可以得到想要的濾波器了。3.2原理圖優化與仿真曲線不滿足技術指標，需要調整原理圖，采用優化方法調整原理圖。在優化與仿真之前，

19、首先設置變量，然后再添加優化控件和目標控件，當設置完優化控件和目標控件后，就可以仿真了1.在原理圖中添加元件VAR并對變量x1，x2，x3進行設置，如圖3.14。圖3.14變量控件2.添加優化控件【Optim/Stat/Yield/DOE并設置，添加目標控件Goal并設置。圖3.12原理圖中的優化控件和目標控件，原理圖變為，如圖3.153.仿真，結果如圖3.16所示：圖3.16巴特沃斯濾波器衰減曲線3.3版圖生成與仿真1.在原理圖上去掉濾波器兩個端口的Term、“接地”和“優化控件。2.選擇原理圖上的【Layout】菜單Generate/UpdateLayout】，彈出【Generate/Up

20、dateLayout】設置窗口，單機窗口上【OK】默認設置。然后確認，完成版圖生成。版圖生成狀態窗口如圖3.15所示：圖3.17生成版圖狀態窗口3.選擇版圖工具欄上的端口Port，版圖視窗會自動打開,兩次插入版圖，輸入端口設置為端口1，輸出端口設置為端口2。如圖3.18所示：圖3.18濾波器原理圖生成的版圖4.設置微帶線參數，如圖3.19所示：圖3.19微帶參數設置5.版圖仿真選擇版圖視窗中的【Momentum菜單SimulationS-Paramete命令，打開仿真控制【SimulationControl窗口。在仿真控制【SimulationControl窗口設置如下，如圖3.20所示：圖3.20版圖仿真控制窗口6.單機仿真控制窗口中的【Simulation按鈕，開始仿真。在數據顯示窗口中，用矩形圖形表示S21曲線，如