[10]。1.3論文研究內(nèi)容本文主要對(duì)在運(yùn)行于0GHz到2.5GHz的階躍阻抗低通濾波器利用ADS射頻仿真軟件進(jìn)行了巴特沃茲型設(shè)計(jì)，并對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行了分析。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了階躍阻抗低通濾波器的原理圖，并在此基礎(chǔ)上模擬出其模型結(jié)構(gòu)。本文共分五個(gè)章節(jié)，論文各章節(jié)內(nèi)容安排如下：（1）緒論。首先，著重介紹了濾波器的背景及意義；其次，表明設(shè)計(jì)過程中所用的軟件和研究思路；最終，結(jié)合濾波器的背景與意義論證自己的研究內(nèi)容。（2）基礎(chǔ)理論。主要介紹了濾波器、LC濾波器、巴特沃茲型濾波器和ADS軟件的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。（3）階躍阻抗低通濾波器的電路設(shè)計(jì)及參數(shù)分析。主要介紹了有關(guān)巴特沃茲型階躍阻抗低通濾波器的相關(guān)設(shè)計(jì)過程以及各參數(shù)的仿真結(jié)果分析，并對(duì)其性能進(jìn)行了說明。（4）階躍阻抗低通濾波器的模型構(gòu)建及參數(shù)分析。主要對(duì)第三章所設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行模型的構(gòu)建，并在此基礎(chǔ)上對(duì)比模型相關(guān)參數(shù)與電路原理圖參數(shù)的不同。（5）結(jié)論。對(duì)論文中本人所做的工作進(jìn)行了總結(jié)。2基礎(chǔ)理論2.1濾波器2.1.1濾波器介紹濾波器作為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，它在通帶內(nèi)進(jìn)行信號(hào)傳輸，并且在阻帶內(nèi)提供衰減特性。當(dāng)給一個(gè)端口輸入一個(gè)具有均勻功率的信號(hào)，信號(hào)在通過該網(wǎng)絡(luò)后，從另一端口輸出信號(hào)，但輸出的信號(hào)是不均勻的。所以濾波器具有頻率的選擇性。在濾波器的設(shè)計(jì)中，主要涉及到的是模擬信號(hào)進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)，所以一般會(huì)采用無源電路來設(shè)計(jì)。這種濾波器的核心原理就是諧振。2.1.2濾波器主要參數(shù)濾波器性能的優(yōu)劣主要反映在其參數(shù)的選擇上。濾波器的主要參數(shù)有：（1）中心頻率：中心頻率一般用f0表示，濾波器通帶的中心頻率一般取f0=(f1+f2)/2，f1和f2為濾波器的左右兩個(gè)相對(duì)降低3dB的邊頻點(diǎn)，也可認(rèn)為其為衰減頻率的特性曲線上兩個(gè)3dB衰減點(diǎn)。窄帶濾波器一般以其截止頻率為中心頻率。（2）截止頻率：濾波器的截止頻率通常指濾波器的頻率響應(yīng)曲線在通帶工作范圍內(nèi)降低到誤差范圍以外的頻率點(diǎn)。而低通濾波器中的截止頻率為其工作頻率范圍內(nèi)最邊沿的取值。（3）通帶帶寬：通帶帶寬用BW3dB表示，指需要通過的頻譜帶寬。其公式為BW3dB=f1-f2。其中，f1和f2以中心頻率f0處插入損耗為基準(zhǔn)。低通濾波器一般取-3dB處的頻率作為其帶寬。（4）插入損耗：將濾波器接入到電路時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)所帶來的損耗。常用中心頻率或截至頻率處的損耗表征。（5）帶內(nèi)駐波比：是一項(xiàng)對(duì)濾波器通帶內(nèi)信號(hào)是否具有很好匹配傳遞的衡量標(biāo)準(zhǔn)。理想匹配VSWR=1：1，失配時(shí)VSWR>1。（6）回波損耗：信號(hào)輸入功率和反射功率的比值。也稱為反射損耗。回波損耗的大小可以反映濾波器過濾性能的優(yōu)劣。（7）矩形系數(shù)K：是表示濾波器對(duì)頻譜外信號(hào)的衰減水平的物理量。帶外衰減越大，K值越接近于1，選擇性越好。取30dB帶寬處與3dB帶寬處頻率的比值。（8）群延時(shí)：群延時(shí)是信號(hào)相位與頻率的比值，一般在通頻段群延時(shí)較為穩(wěn)定，在邊沿區(qū)域群延時(shí)較大。是描述信號(hào)相位變化隨頻率變化快慢的程度，它反映的是信號(hào)在相應(yīng)頻段內(nèi)是否易于失真。2.1.3濾波器的分類濾波器的分類多種多樣，在頻譜越來越精細(xì)化的當(dāng)今，濾波器的分類也會(huì)越來越精準(zhǔn)。目前比較常用的分類有五種，濾波器的分類如圖2.1所示。圖2.1濾波器的分類在濾波器的分類中，功能分類是最常用的一種分類方法。在濾波器的分析中，通常采用其工作衰減程度來進(jìn)一步描述濾波器的衰減特性，表示為LA=10lgPin式中，Pin代表輸出端口在匹配負(fù)載時(shí)的濾波器的輸入功率，PL未負(fù)載吸收功率。將四種功能的濾波器進(jìn)行對(duì)比，如表2.1所示。為了更好的描述衰減與頻率之間的關(guān)系，一般使用數(shù)學(xué)多項(xiàng)式逼近的方發(fā)來描述濾波器的特性。在這種方法中，巴特沃茲、切比雪夫、橢圓函數(shù)型、高斯多項(xiàng)式等為其代表。這四種濾波器的對(duì)比如表2.2所示。表2.1功能濾波器的對(duì)比功能類型頻率響應(yīng)曲線特點(diǎn)低通濾波器低于截止頻率的信號(hào)通過，高于截止頻率的信號(hào)被濾波器電路反射，低頻信號(hào)損耗很小。高通濾波器讓某一頻率以上的信號(hào)通過，而對(duì)其以下頻率的信號(hào)進(jìn)行抑制。高頻信號(hào)損耗很小。帶通濾波器使在一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，但在這個(gè)頻率范圍外的信號(hào)會(huì)衰減到很低的水平。帶阻濾波器能夠通過絕大多數(shù)頻率的信號(hào)，但對(duì)于在某些范圍內(nèi)的頻率信號(hào)起到極大抑制作用。表2.2四種濾波器的對(duì)比類型頻率響應(yīng)曲線特點(diǎn)巴特沃茲型結(jié)構(gòu)簡單，插入損耗最小，常用于窄帶場(chǎng)合。切比雪夫型結(jié)構(gòu)簡單，邊頻寬，群延時(shí)特性差，應(yīng)用范圍較廣。橢圓函數(shù)型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，邊沿陡峭，有狹窄的過渡帶，適合用于特殊的場(chǎng)合。高斯多項(xiàng)式結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的群延時(shí)，也常用于特殊的場(chǎng)合。2.2巴特沃茲型濾波器巴特沃茲型濾波器在通頻段內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線具有很大的平坦度，幾乎沒有起伏，而且在阻帶內(nèi)具有逐漸降為零的特點(diǎn)。與其他濾波器的振幅對(duì)角頻率曲線不同的是，巴特沃茲型濾波器的振幅對(duì)角曲線是單調(diào)下降的，而且隨著階數(shù)的增多，其阻帶內(nèi)的振幅衰減地也越快。在設(shè)計(jì)階躍阻抗濾波器時(shí)，通常會(huì)先跟據(jù)LC濾波器的原理將其LC濾波器原型設(shè)計(jì)出來，再根據(jù)理查德變換和黑田恒規(guī)則將濾波器原型轉(zhuǎn)換為所需要的階躍阻抗濾波器。由于本文設(shè)計(jì)的是巴特沃茲型階躍阻抗低通濾波器，故在設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的LC濾波器的基礎(chǔ)上，只需要運(yùn)用理查德變換，就可得到巴特沃茲型濾波器。2.2.1LC濾波器原理LC濾波器是常見的無源濾波器，也是常用的諧波補(bǔ)償裝置，不需要額外提供電源。LC低通濾波器的工作原理是利用L和C的特性進(jìn)行工作，因?yàn)殡娙莸娜菘筙=1/2nfc，所以電容的容抗會(huì)因頻率的升高而減小。電感的感抗X=2f，可知感抗會(huì)因頻率的升高而增大。當(dāng)信號(hào)輸入時(shí)，低頻信號(hào)受到來自電感的阻礙小，高頻信號(hào)的阻礙大，電容對(duì)低頻信號(hào)的衰減小，但對(duì)高頻信號(hào)的衰減大，所以能更好的通過低頻信號(hào)。2.2.2理查德變換原理理查德變換（又稱Richard變換）是將有著終端開路或短路的無損耗傳輸線的分布式電容和分布式電感進(jìn)行等效，代替集總參數(shù)電路圖中的電容和電感來實(shí)現(xiàn)濾波的功能。一段終端短路的傳輸線，其特性阻抗為Z的輸入阻抗為：Z輸入=jZ其中，θ=βl=2πλl令微帶線在某一段頻率內(nèi)如f=f0，其長度都為λ0/8，則其工作頻率f0=Vp/λ0，Vp代表相波速：則有θ=β?λ0其中Ω=f所以終端短路的傳輸線與集總參數(shù)元件的關(guān)系為：Z輸入=jXL=jwL=jwL所以Z輸入=jZtanπ其中S為jtan把這種頻率的轉(zhuǎn)換稱為理查德變換。同理，可以將一段終端為開路的傳輸線代替成集總參數(shù)中的電容，則終端的開路傳輸線的導(dǎo)納為jBc所以，可以得到有關(guān)電容及電感的傳輸線的相關(guān)阻抗為：電容相關(guān)阻抗為Z=1ωc，電感的相關(guān)阻抗為當(dāng)ω=1時(shí)，電容為1/c，電感為L。所以最終利用理查德變換將集總參數(shù)的電路可以轉(zhuǎn)換為分布參數(shù)的電路，這對(duì)濾波器的使用和設(shè)計(jì)起到了極大的作用。2.2.3巴特沃茲型濾波器原理巴特沃茲型濾波器作為濾波器設(shè)計(jì)類型的一個(gè)分類，主要采用的是巴特沃茲函數(shù)。也是電子濾波器的一種。其雖然具有平穩(wěn)的幅頻特性，但同時(shí)也具有較長的過渡帶，在過渡帶上易產(chǎn)生失真。巴特沃茲低通濾波器如下的振幅的平方對(duì)頻率的公式表示：H(ω)2=11+(其中，n為濾波器的階數(shù)。ωC為截止頻率，即振幅下降3分貝時(shí)的頻率。ωp為通帶的邊沿頻率H(ω)2n階巴特沃茲型濾波器的電路圖如圖2.2所示。圖2.2n階巴特沃茲型濾波器的考爾第一型電子線路圖其中，電容Cn電感Ln2.3ADS仿真軟件本文使用的軟件為ADS2017，ADS2017全稱為AdvanceDesignSystem2017。ADS最大的特點(diǎn)是集成IC級(jí)到電路級(jí)最終涵蓋系統(tǒng)級(jí)的仿真系統(tǒng)。其主要功能如圖2.3所示。圖2.3ADS軟件的主要功能2.4HFSS設(shè)計(jì)流程HFSS軟件經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，以其優(yōu)質(zhì)的仿真精度和可靠性和成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等領(lǐng)域。采用HFSS軟件作為設(shè)計(jì)工具，可以有效降低設(shè)計(jì)成本，增加設(shè)計(jì)可信度。其設(shè)計(jì)流程如圖2.4所示。圖2.4HFSS設(shè)計(jì)流程2.5本章小結(jié)本章主要對(duì)論文中所涉及到的一些基礎(chǔ)知識(shí)和所使用的ADS軟件和HFSS軟件進(jìn)行簡單的介紹。基礎(chǔ)知識(shí)主要介紹了有關(guān)濾波器、LC濾波器和巴特沃茲型濾波器的一些理論性知識(shí)。濾波器部分主要介紹其定義、參數(shù)和分類；LC濾波器部分主要從其工作原理出發(fā)，從而引出從LC濾波器轉(zhuǎn)向階躍阻抗低通濾波器的變換原理；巴特沃茲型濾波器部分從其特點(diǎn)、衰減率及相關(guān)電路原理三方面進(jìn)行了介紹。論文中主要使用的軟件工具為ADS，使用ADS對(duì)階躍阻抗低通濾波器進(jìn)行模擬及模型構(gòu)建。3階躍阻抗低通濾波器的電路設(shè)計(jì)及參數(shù)分析為實(shí)現(xiàn)利用很高和很低的特征阻抗的傳輸線進(jìn)行交替排列，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于信號(hào)的濾波作用，使用微帶或者帶狀線可以很好的實(shí)現(xiàn)低通濾波的效果。這種濾波器一般被稱為階躍阻抗或者高低阻抗濾波器，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊且易于設(shè)計(jì)，但其電特性一般，不常用于具有陡峭截止響應(yīng)的場(chǎng)所。3.1低通濾波的設(shè)計(jì)指標(biāo)在本章中，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)微帶階躍阻抗低通濾波器，來實(shí)現(xiàn)以下的要求：（1）具有最平坦響應(yīng)。（2）截止頻率為2.5GHz。（3）在4GHz處的插入損耗必須大于18dB。（4）所要設(shè)計(jì)濾波器的阻抗為50Ω，具有最平坦響應(yīng)，采用6階巴特沃茲低通濾波器，最高的實(shí)際線阻抗為120Ω，最低的實(shí)際線阻抗為20Ω，采用的基片參數(shù)d=1.58mm，?r=4.2，tanδ=0.02，銅導(dǎo)體的厚度為l=0.035mm。3.2LC原型濾波器的設(shè)計(jì)3.2.1階數(shù)的確定已知在最平坦濾波器原型的衰減和歸一化頻率關(guān)系曲線中橫軸的計(jì)算公式為ωωωc?1=由上式可得，采用6階的濾波器，LA>20dB，所以，最大平坦濾波器的級(jí)數(shù)選擇n=6。3.2.2原型濾波器參數(shù)取值所得到的LC低通原型電路如圖3.1所示：圖3.1濾波器低通原型電路由巴特沃茲濾波器的低通原型元件值可知當(dāng)n=6時(shí)，可取：g1=0.5176，g2=1.4142，g3=0.9318，g4=0.9318，g5=1.4142，g6=0.5176，g7=1。3.3階躍阻抗低通濾波器的設(shè)計(jì)考慮到微帶線自帶阻抗，將其輸入與輸出的兩個(gè)阻抗稱為微帶線的特征阻抗，一般微帶線同軸特征阻抗為50Ω或75Ω，這里取50Ω。所以在設(shè)計(jì)階躍阻抗濾波器的過程中同樣要加入微帶線的阻抗，將其阻抗整合為輸入阻抗與輸出阻抗。3.3.1電路原理圖設(shè)計(jì)在LC濾波器原型的基礎(chǔ)上，利用理查德變換，將原型濾波器中的電路變換成我們所需的階躍阻抗低通電路。為進(jìn)一步達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的目標(biāo)，需要對(duì)濾波器的微帶線電氣參數(shù)和物理尺寸進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。基于低通濾波器的原型電路參數(shù)值得到各個(gè)濾波器的支節(jié)的參數(shù)，具體參數(shù)如表3.1所示：表3.1各支節(jié)的寬度W與長度L節(jié)數(shù)giZi=Zl或Zk(?)βli（度）Wi(mm)Li(mm)TL115032.33.1376TL20.517208.5711.3351.497TL31.41412028.50.4295.621TL41.9322035.711.3356.230TL51.93212038.80.4297.656TL61.4142026.111.3354.560TL70.5171209.600.4291.894TL815032.33.1376將原理圖中的W與L參數(shù)用變量替換，方便之后的修改與優(yōu)化。最后完整的微帶低通濾波器電路完成，如圖3.2所示。圖3.2完成參數(shù)設(shè)置的電路原理圖3.3.2電路原理圖仿真與相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)（1）參數(shù)原理圖的設(shè)計(jì)在圖3.2的基礎(chǔ)上，添加參數(shù)仿真器S_Param，將其頻率掃描的起始頻率定為0GHz，終止頻率定為5GHz。頻率掃描間隔定為0.01GHz。最終確定的濾波器仿真圖如圖3.3所示。圖3.3階躍阻抗低通濾波器電路原理圖（2）參數(shù)的設(shè)計(jì)及分析在完成對(duì)濾波器原理的S參數(shù)設(shè)置后，點(diǎn)擊Simulate即可進(jìn)行對(duì)S參數(shù)的仿真。在彈出的數(shù)據(jù)窗口分別添加S21和S11的矩形圖，并在其2.5GHz處添加一個(gè)標(biāo)記，其仿真圖如圖3.4和圖3.5所示。圖3.4濾波器S21參數(shù)曲線由圖3.4可知，當(dāng)頻率為4GH時(shí)，S21為-18.974dB，即插入損耗已經(jīng)大于18dB，符合設(shè)計(jì)要求。但當(dāng)頻率為2.5GHz時(shí)，S21為-3.596dB，其對(duì)低頻信號(hào)影響較大，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。由圖3.5可知，當(dāng)頻率為2.5GHz時(shí)，S11為-3.215dB，其回波損耗較大，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的頻率相差不大，與設(shè)計(jì)的要求不匹配，需進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖3.5濾波器S11參數(shù)曲線（3）通帶帶寬由第二章可知，低通濾波器通帶帶寬為-3dB處的頻率，所以，巴特沃茲型階躍阻抗低通濾波器的通帶帶寬如圖3.6所示。由圖3.6可知，所設(shè)計(jì)濾波器的帶寬為2.435GHz，但這個(gè)帶寬雖然有比較好的選擇性，但并沒有包含所有的工作頻段帶寬，不符合設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行優(yōu)化。圖3.6濾波器的通帶帶寬截取點(diǎn)（4）矩形系數(shù)K由第二章有關(guān)矩形系數(shù)的定義，矩形系數(shù)取值點(diǎn)如圖3.7所示。由圖3.7可知，該濾波器波形曲線達(dá)不到30dB。在3dB處的帶寬為2.73GHz。所以該濾波器的矩形系數(shù)不存在，表明該濾波器的選擇性差，無法濾除相關(guān)干擾信號(hào)，與低通濾波器的設(shè)計(jì)要求不符合。需要進(jìn)行優(yōu)化。圖3.7矩形系數(shù)取值點(diǎn)（5）帶內(nèi)駐波比在原理圖中添加VSWR元件，得到帶內(nèi)駐波比曲線如圖3.8所示。圖3.8帶內(nèi)駐波比曲線由圖3.8可知，該濾波器在0GHz到2.5GHz的頻段內(nèi)，其帶內(nèi)駐波比大于1并沒有達(dá)到很好的傳導(dǎo)效果，會(huì)出現(xiàn)失配現(xiàn)象，不符合設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行優(yōu)化。（6）群延時(shí)曲線在第二章中可知群延時(shí)曲線可以反映出信號(hào)是否易于失真，在原理圖中選擇添加群延時(shí)曲線參數(shù)，得到的群延時(shí)曲線如圖3.9所示。圖3.9群延時(shí)曲線由圖3.9可以看出，在0-2.5GHz的工作頻率區(qū)域內(nèi)，群延時(shí)曲線的波動(dòng)程度較大，且其在邊沿的群延時(shí)值不是最大，不符合設(shè)計(jì)的要求，需要進(jìn)行優(yōu)化。3.4階躍阻抗低通濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)3.4.1優(yōu)化原理圖設(shè)計(jì)在圖3.3的基礎(chǔ)上，添加兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)（0ptimgoal），OptimGoal1的參數(shù)優(yōu)化都是針對(duì)S21，它們負(fù)責(zé)設(shè)置濾波器的通帶及阻帶的頻率范圍和頻率衰減，OptimGoal2優(yōu)化針對(duì)S11，可以設(shè)置通帶內(nèi)的反射系數(shù)。其參數(shù)設(shè)置如表3.2所示。表3.2目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)設(shè)置按鈕名稱優(yōu)化目標(biāo)1優(yōu)化目標(biāo)2優(yōu)化目標(biāo)3ExpressiondB(S(2,1))dB(S(2,1))dB(S(1,1))AnalysisSP1SP1SP1Weight111SweepvariablesFreqfreqfreqType><<Min-0.4Max-21-15weight80801freqmin10MHz4GHz10MHzfreqmax2.6GHz4.1GHz2.6GHz優(yōu)化后的微帶線各支節(jié)的寬度W與長度L如表3.3所示。表3.3各支節(jié)優(yōu)化后的寬度W與長度L節(jié)數(shù)Wi(mm)Li(mm)TL13.1376.00TL211.9992.52TL30.355.14TL411.9994.26TL50.357.31TL611.9993.00TL70.354.59TL83.1376.00根據(jù)表3.3數(shù)據(jù)得到的優(yōu)化后的原理圖如圖3.10所示。圖3.10優(yōu)化后的階躍阻抗低通濾波器原理圖3.4.2參數(shù)優(yōu)化及分析（1）S參數(shù)優(yōu)化分析優(yōu)化后S21參數(shù)曲線圖如圖3.11所示。圖3.11優(yōu)化后的S(2，1)曲線由圖3.11可知，當(dāng)頻率為4GHz時(shí)，S21為-19.953dB，即阻帶內(nèi)衰減已經(jīng)大于18dB，符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)頻率為2.5GHz時(shí)，S21為-0.476dB，其對(duì)低頻信號(hào)影響較小，符合設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化后的S11參數(shù)曲線如圖3.12所示。圖3.12優(yōu)化后的S（1，1）曲線由圖3.12可知，當(dāng)頻率為2.5GHz時(shí)，S11為-33.505dB，小于-25dB，符合參數(shù)設(shè)計(jì)的要求。（2）優(yōu)化后的通帶帶寬優(yōu)化后的通帶帶寬如圖3.13所示。由圖3.13可知通帶帶寬為3.023GHz，即優(yōu)化后的巴特沃茲型濾波器在3dB處的帶寬包含工作頻段且?guī)捲黾樱鄳?yīng)的傳輸效率也越高，傳輸數(shù)據(jù)量也得到增加，符合設(shè)計(jì)要求。圖3.13優(yōu)化后的通帶帶寬示意圖（3）優(yōu)化后的矩形系數(shù)K優(yōu)化后的矩形系數(shù)取值點(diǎn)如圖3.14所示。由圖3.14可知，該濾波器在30dB處的頻率為4.861GHz。在3dB處的頻率為3.022GHz。所以該濾波器的矩形系數(shù)為0.621，與之前相比更接近1，符合設(shè)計(jì)要求。圖3.14優(yōu)化后的矩形系數(shù)截取點(diǎn)（4）優(yōu)化后的帶內(nèi)駐波比優(yōu)化后的帶內(nèi)駐波比曲線如圖3.15所示。圖3.15優(yōu)化后的帶內(nèi)駐波比曲線由圖3.15可知，在0GHz到2.5GHz的頻段范圍內(nèi)，帶內(nèi)駐波比近似等于1，表示其工作在理想匹配的范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。（5）優(yōu)化后的群延時(shí)曲線優(yōu)化后的群延時(shí)曲線如圖3.16所示。圖3.16優(yōu)化后的群延時(shí)曲線由圖3.16可知，優(yōu)化后，在0-2.5GHz的范圍內(nèi)，群延時(shí)曲線的波動(dòng)程度較小，在工作頻段，邊沿處群延時(shí)值最大，達(dá)到工程設(shè)計(jì)的要求。（7）優(yōu)化前與優(yōu)化后各參數(shù)的對(duì)比各參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比如表3.4所示。表3.4各參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比參數(shù)優(yōu)化前優(yōu)化后2.5GHz時(shí)的S11-3.215dB-33.505dB2.5GHz時(shí)的S21-3.596dB-0.476dB4GHz時(shí)的S21-18.974dB-19.953dB通帶帶寬2.435GHz3.023GHz矩形系數(shù)K不存在0.621帶內(nèi)駐波比VSWR>5VSWR=1群延時(shí)曲線通頻段波動(dòng)較大通頻段波動(dòng)較小由上表可以看出，在2.5GHz時(shí)的輸入回波損耗由3.215dB增加到33.505dB，正向插入損耗由3.596dB降低到0.476dB，說明濾波器在優(yōu)化后，其匹配度和工作頻段內(nèi)的增益都得到了極大的改善。在4GHz時(shí)正向插入損耗由18.974dB增加到了19.953dB。說明所設(shè)計(jì)的濾波器在優(yōu)化后在阻帶頻率內(nèi)的增益得到減少，對(duì)于高頻的阻礙能力得到加強(qiáng)。通帶帶寬分別由2.435GHz增加到3.023GHz，說明優(yōu)化后的濾波器具有更好的平坦性和更高的傳輸效率。矩形系數(shù)K由不存在增加到0.621，說明優(yōu)化后的濾波器具有更好的選擇性。帶內(nèi)駐波比VSWR>1變?yōu)閂SWR=1，使得濾波器通帶內(nèi)的信號(hào)具有良好的傳導(dǎo)。通頻段的群延時(shí)曲線波動(dòng)減小，說明優(yōu)化后的濾波器在工作頻段中更不易失真。3.5本章小結(jié)第三章介紹了設(shè)計(jì)巴特沃茲型階躍阻抗低通濾波器的方法，通過ADS軟件自帶計(jì)算工具設(shè)計(jì)出每一段微帶線的相關(guān)參數(shù)，得到對(duì)應(yīng)的電尺寸和物理尺寸，成功得到所要求的濾波器原理圖和優(yōu)化圖，對(duì)濾波器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了仿真和優(yōu)化。通過ADS軟件的優(yōu)化仿真，可以得到本次的設(shè)計(jì)滿足目標(biāo)的要求。4階躍阻抗低通濾波器的模型構(gòu)建及其參數(shù)分析4.1濾波器模型結(jié)構(gòu)建設(shè)在進(jìn)行濾波器的優(yōu)化后，使用HFSS軟件設(shè)計(jì)得到的濾波器模型結(jié)構(gòu)如圖3.17所示。圖3.17濾波器模型結(jié)構(gòu)由圖3.17可以看出，除兩端為50Ω的輸入和輸出，從左往右分別進(jìn)行了高阻抗與低阻抗微帶線的交替排列，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。4.2濾波器模型結(jié)構(gòu)參數(shù)分析4.2.1相關(guān)參數(shù)（1）S參數(shù)分析模型圖S11參數(shù)如圖3.18所示。圖3.18S11參數(shù)曲線由圖3.18所示，在2.5GHz處的回波損耗為-20.1743dB，與優(yōu)化后回波損耗相比，該模型的回波損耗在誤差范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。圖3.19為模型的S21參數(shù)曲線。圖3.19S21曲線由圖3.19所示，模型在4GHz處的插入損耗為-20.9054dB，即阻帶內(nèi)衰減為20.9054dB，大于18dB，符合設(shè)計(jì)要求。在2.5GHz時(shí)的插入損耗增加，但處于誤差允許的范圍內(nèi)。（2）通帶帶寬模型的通帶帶寬取值點(diǎn)如圖3.20所示。圖3.20通帶帶寬取值點(diǎn)由圖3.20可知通帶帶寬為3.04GHz，即巴特沃茲型濾波器模型在-3dB處的帶寬包含工作頻段且?guī)捲黾樱鄳?yīng)的傳輸效率也越高，傳輸數(shù)據(jù)量也得到增加，符合設(shè)計(jì)要求。（3）矩形系數(shù)K圖3.21為模型矩形系數(shù)的取值點(diǎn)。圖3.21矩形系數(shù)取值點(diǎn)由圖3.21可知，在30dB處的頻率為4.7171GHz，在3dB處的帶寬為3.0393GHz，矩形系數(shù)為0.644，更接近于1，說明模型對(duì)頻譜外的信號(hào)選擇性良好。（4）帶內(nèi)駐波比優(yōu)化后的帶內(nèi)駐波比曲線如圖3.22所示。圖3.15優(yōu)化后的帶內(nèi)駐波比曲線由圖3.15可知，在0GHz到2.5GHz的頻段范圍內(nèi)，帶內(nèi)駐波比近似等于1，表示其工作在理想匹配的范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。（5）優(yōu)化后的群延時(shí)曲線優(yōu)化后的群延時(shí)曲線如圖3.16所示。圖3.16優(yōu)化后的群延時(shí)曲線由圖3.16可知，優(yōu)化后，在通頻段（0-2.5GHz）的范圍內(nèi)，群延時(shí)曲線的波動(dòng)范圍較小，且在邊沿處的群延時(shí)在要求范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。4.2.2模型參數(shù)與電路圖參數(shù)對(duì)比模型與優(yōu)化電路各參數(shù)對(duì)比如表3.5所示。表3.5模型與優(yōu)化電路各參數(shù)對(duì)比參數(shù)優(yōu)化電路模型結(jié)構(gòu)2.5GHz時(shí)的S11-33.505dB-20.1743dB2.5GHz時(shí)的S21-0.476dB-0.718dB4GHz時(shí)的S21-19.953dB-20.9054dB通帶帶寬3.023GHz3.04GHz矩形系數(shù)K0.6210.796帶內(nèi)駐波比1.0431.2173群延時(shí)曲線通帶內(nèi)波動(dòng)小，為4.666E-10通帶內(nèi)波動(dòng)小，為4.662E-104.2.3模型參數(shù)與電路圖參數(shù)誤差分析由上表可以看出，模型結(jié)構(gòu)與優(yōu)化電路圖的誤差主要存在于以下幾點(diǎn)：（1）在2.5GHz時(shí)的輸入回波損耗降低，正向插入損耗有較小的增加。（2）在4GHz時(shí)正向插入損耗由19.953dB增加到了23.960dB。（3）矩形系數(shù)K由0.621增加到0.644。而存在這些問題的原因是由于ADS軟件仿真是對(duì)電路的仿真，但HFSS仿真是將電路置于介質(zhì)板上進(jìn)行仿真，受到介質(zhì)板材料的影響，而且在介質(zhì)板中由于2.5GHz的信號(hào)波長較長，比較容易損耗，所以在2.5GHz時(shí)，優(yōu)化后和模型的參數(shù)變化較為明顯。但總體來看，優(yōu)化后的結(jié)果與模型結(jié)構(gòu)仿真的參數(shù)近似相等，所以模型結(jié)構(gòu)成功建立。4.3本章小結(jié)第四章主要根據(jù)第三章的內(nèi)容及與原理圖，進(jìn)行了巴特沃茲型階躍阻抗低通濾波器的模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在建立模型的基礎(chǔ)上，對(duì)模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析。在將模型參數(shù)與電路圖參數(shù)進(jìn)行對(duì)比后，找到產(chǎn)生這些誤差的原因，并做出了誤差分析。5結(jié)論現(xiàn)代通信頻段的可使用頻段越來越緊張，頻譜的分類也越來越精細(xì)化，階躍阻抗低通濾波器對(duì)于通信信號(hào)的傳遞也在有限的頻段內(nèi)擁有著重要的意義，而如何在有限的頻域和眾多種類的濾波器中得到很好的調(diào)節(jié)，成為現(xiàn)代射頻領(lǐng)域的熱門話題。除滿足對(duì)信號(hào)傳導(dǎo)的要求外，還需在相應(yīng)的頻段內(nèi)保持良好的過濾性能。因此，階躍阻抗低通濾波器依舊有著廣泛的發(fā)展前景。本文的研究設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在0-2.5GHz范圍內(nèi)的特沃茲型濾波器的階躍阻抗低通濾波器，利用射頻仿真軟件ADS，建立其仿真原理圖，分析了電路原理圖的各個(gè)參數(shù)，并對(duì)所建立的電路原理圖進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)分析優(yōu)化后電路圖的參數(shù)并與未優(yōu)化前的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，使其在工作頻率內(nèi)性能得到更好的展現(xiàn)。在優(yōu)化電路的基礎(chǔ)上，利用HFSS軟件進(jìn)行了階躍阻抗低通濾波器的模型構(gòu)建和參數(shù)分析，通過模型參數(shù)分析與優(yōu)化參數(shù)分析對(duì)比，得到了所設(shè)計(jì)的濾波器的性能改善的結(jié)果。仿真結(jié)果表明：在2.5GHz時(shí)的輸入回波損耗增加，正向插入損耗降低，說明濾波器在優(yōu)化后，其匹配度和工作頻段內(nèi)的增益都得到了極大的改善。在4GHz時(shí)正向插入損耗增加，說明所設(shè)計(jì)的濾波器在優(yōu)化后在阻帶頻率內(nèi)的增益得到減少，對(duì)于高頻的阻礙能力得到加強(qiáng)。通帶帶寬分別由2.435GHz增加到3.023GHz，濾波器的帶寬越寬說明其傳遞效率越好，說明所設(shè)計(jì)的濾波器在低頻段內(nèi)具有更好的平坦性和傳輸效率。矩形系數(shù)K由不存在變?yōu)?.621，更接近于1，說明優(yōu)化后的濾波器具有更好的選擇性。帶內(nèi)駐波比VSWR是駐波波腹處的電壓幅值Vmax與波節(jié)處的電壓幅值Vmin之比，根據(jù)仿真結(jié)果可以看出帶內(nèi)駐波比由大于5變?yōu)榻频扔?，使得濾波器通帶內(nèi)的信號(hào)具有良好的傳導(dǎo)，不易失真。通過ADS軟件的優(yōu)化仿真，可以得到本次的設(shè)計(jì)滿足目標(biāo)的要求，并在優(yōu)化完成后利用HFSS仿真軟件生成濾波器的模型結(jié)構(gòu)，使設(shè)計(jì)的濾波器得到更加直觀地體現(xiàn)。參考文獻(xiàn)陳軍.基于ADS軟件的微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)[D]