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1、实验三射频滤波器实验一实验目的1. 掌握射频低通、带通滤波器的工作原理2. 学习使用ADS软件进行滤波器的设计、优化和仿真3. 学会使用AV3620矢量网络分析仪测试滤波器的幅频特性二实验原理1低通滤波器集总元件低通原型滤波器是设计微波滤波器的基础。一般低通原型滤波器的两(a)与(b)种可行结构如图3-1所示，它是个LC梯型网络，两端各接纯电阻负载，两电路互为对偶，即串联电感与并联电容存在对换关系。RG=gC.gigl(M a有辐.气GG=g.图3-1低通原型滤波器的电路低通原型的频率响应通常有最平坦响应和等波纹响应两种。最平坦型滤波器的衰减曲线中没有任何波纹，所以称为最大平滑滤波器，也称 巴
2、特沃斯滤波器。其衰减函数为（3-1）L = 10lg(L + 82O2n )A其中归一化频率Q =必也。等波纹型滤波器的频率响应在通带内有规律性的起伏，且幅度相等，故称为等 波纹型，也称为切比雪夫响应。其衰减函数为（3-2）La = 10lg 1 + 82T2（Q与巴特沃斯低通原型相比较，对于给定的通带衰减和滤波器节数，切比雪夫低通原 型的阻带衰减斜率陡峭得多。2带通滤波器发卡式滤波器是半波长耦合微带滤波器的一种变形结构，是把半波长耦合谐振 器折合成“U”字形构成的。发卡式滤波器是由若干个发卡式谐振器并排排列组合 而成，这些谐振器之间主要是通过其边缘区域的电磁场相互交叉耦合的。因此，这 部分区
3、域决定了发卡式滤波器之间的耦合特性和耦合强度。在每个谐振器两臂的开 放端，电场强度分布达到最大；而在其两臂的中间部分，磁场强度分布达到最大。 如图3-2所示，根据谐振器间的相对位置，发卡式谐振器可以分为四种基本耦合结构: 电耦合、磁耦合、第一及第二类混合耦合。图中，a为谐振器臂长，b为臂间距，w 为线宽，s为两谐振器间距，d为两谐振器偏移距离。图3-2微带型发卡式谐振器的4类基本耦合结构对于相同的微带线结构，如果两个谐振器的s和d减小，其耦合性能必定增强。此外，谐振器之间的耦合强度可以通过耦合系数来进行分析。耦合系数越大，耦合 性能越强；反之则耦合性能越弱。发卡式谐振器信号源的输入输出方式可采
4、用抽头 方式或缝隙耦合方式。发卡式谐振器的谐振频率主要由以下参数确定：发卡臂长a、线宽w以及两臂之 间的距离b。通常取发卡谐振器的臂长约为4，七为微带介质中的带内波长， 人=一马，f为所设计的带通滤波器的通带中心频率，f =f，式中f和fg f New Project设置工程文件名称及存储路径， 点击Length Unit设置长度单位为毫米，工程文件创建完毕后主窗口中显示出该工 程，同时原理图设计窗口打开。ADS的Filter DesignGuide可以快速准确的生成各种 滤波器，此处我们用它来设计集总低通滤波器。(1) .确定设计指标切比雪夫型低通滤波器，截止频率450MHz，带内衰减小于1
5、dB,阻带480MHz以上 衰减大于20dB。(2) .运行设计指导在原理图窗口点击命令DesignGuide-Filter,弹出Filter对话框，选择Filter Control Window并点击OK，弹出新窗口 Filter DesignGuide，在原理图中放置Smart元件后 它将被激活。选择命令View-Component Palette-All或在工具栏中点击Component Palette-All图标兰U，原理图左侧就会出现Smart元件面板。或者在原理图设计窗口,.、上、工睥、n、心 口口 lv Filter DG - All Networks中选择滤波器设计指导工具栏也
6、可以打开Smart元件面板。(3) .放置Smart元件并设计滤波器 在原理图左侧的Filter DG工具栏中选择Smart元件口t放置在原理图中，此时 Filter DesignGuide窗口被激活。点击Filter Assistant标签，设定滤波器的详细参 数，包括通带和阻带频率及衰减、滤波器类型、源及匹配负载阻抗等。设置好滤波器的响应后，点击Redraw观察响应曲线的变化，若达不到指标要求， 可适当更改参数。响应曲线达到指标要求后，点击Design按钮，进行滤波器的 自动设计。原理图中的Smart元件已具有所要求的滤波器特性，而且滤波器具体电路已经创建好了。点击工具栏中的Push In
7、to Hierarchy图标奂匕可以进入DT元件来检验电路，点击Pop OutMl!跳回到上层电路。(4).检验滤波器的S参数仿真结果点击Filter DesignGuide窗口中的Simulation Assistant标签，设置扫描频率范围， 例如从200MHz到700MHz,步长为10MHz,然后点击Simulate按钮观察结果， 一个模板会运行S参数仿真并显示结果。检验数据显示，比较理想响应曲线与实际曲线的差异，移动Marker M1、M2可以读取曲线任意点处的数值，移动Marker A、B会比较该段内的输入参数和仿Fa 1* 旦土 L Va sw Ini=D& JLCLgpgMI*
8、lLCL*p舟届AT 典z：uTBLgjeKrkHF P 0p l ana 7do1 x llalp口|回简|昌|由可岂 *|削可爻I匐母I司lul区|_LCLawp 泗：amn,=JHII1票1HO0A司阻El削|到1|H1|崖|圃囤囤限IDautilvTerminafl&d Lowmss Filter Di splay Assistant Filter DesiQnuidsMeed h时户 Ffeaw Finer isHnttiidis Hwrinr wnfifele nstn_ri：rx3 e ij!i-.g1hi5。邪Itf .feotETi. Tbs Di?Fri3；i, qcsmM
9、C ChspcapnoidL：。由eIuk in#ruElag M 茹*Hh网 1i- iNf Dfph? A;siiarii rk found in Nnnanc donnurgkPciionrarwtFpFfAp*4颁团iDffl2D.DDDPg Edgt邻E切Gain Dvj: Dwoinri on Fasftiard I/l： 1吧01口11 Pr 叩= FrwfLHrcy 牛BcifiEianF： FnwjjtrpFp: Pauband E1 ptFt: Sidpbvid E4)d曲：Aiah PBor R*用*5：航en SB GdpeP 杉 bandAFp：JI真结果。由图可以看
10、出，电路参数满足设计的指标要求。1.2发卡式带通滤波器启动ADS进入主窗口，点击File-New Project设置工程文件名称及存储路径， 点击Length Unit设置长度单位为毫米，工程文件创建完毕后主窗口中显示出该工 程，同时原理图设计窗口打开。（1）确定设计指标： 通带1.01.4Ghz，带内衰减小于3dB，起伏小于1dB，0.6Ghz以下及1.8Ghz以 上衰减大于50dB,端口反射系数小于-25dB。在进行设计时，主要是以滤波器的S参数作为优化目标进行仿真。S12（S21）是 传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及衰减、起伏全部表现在S12（S21）随频 率变化曲线的形状上。Su（
11、S22）是输入、输出端口的反射系数，由它可以换算 出输入、输出端的电压驻波比。（2）生成滤波器原理图在原理图设计窗口中选择微带电路的工具栏TUnesMiCr0triP，；自 JI在工具栏中点击选择耦合线里、弯头帖姗d|以及t型接头述ij并在右侧的绘 图区放置；口|m 泗 |选择微带线丑_1、开路短线卫虬I以及控件MSUB分别放置在绘图区中； 选择画线工具1将电路连接起来，连接方式如下图所示。图中四个Mcfil表示 滤波器的四个耦合线节，MLIN和MSOBND表示耦合线节之间的连接线。（3）设置微带电路的基本参数双击原理图中的控件MSUB设置微带线参数。也可以点击MSUB下面的文字 直接进行修改
12、，但要注意数字与单位之间有一个空格。H：介质基板厚度（1 mm）Er：介质基板相对介电常数（4.6）Mur：磁导率（1）Cond:金属电导率（铜5.88E+7）Hu：封装高度（1.0E+33 mm）T：金属层厚度（0.02 mm）TanD :损耗角正切（0）Rough :表面粗糙度（0 mm）（4）计算引出线宽度滤波器两边的引出线是特性阻抗为50欧姆的微带线，它的宽度W可由微带线 计算工具得到，具体方法是点击菜单栏Tools-LineCalc-Start LineCalc，出现一个 新的窗口： 在窗口的Substrate Parameters栏中填入与MSUB中相同的微带线参数 在Compon
13、ent Parameters栏中填入中心频率（本例中为1.2GHz） Physical栏中的W和L分别表示微带线的宽和长；Electrical栏中的Z0和E_Eff 分别表示微带线的特性阻抗和相位延迟；点击Synthesize和Analyze栏中的 囚可箭头， 可以进行W、L与Z0、E_Eff间的相互换算 填入50Ohm和90deg可以换算出微带线的线宽1.82 mm和长度33.68 mm （四 分之一波长）。另外打开的一个窗口显示当前运算状态以及错误信息。Eile Si rriul at i on/Synthe e i e Lext HirLdcwSijilulat-ion z Synthesis MessagesStatus Z SummaryHPEEEOFEIM （*：） 20 04A. ECU Oct. 12 2D04 （built : 10- Ccipyxight Agilent Technolcigies. 1 9S9
