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1、实验四实验四 射频滤波器设计、仿真射频滤波器设计、仿真与测试与测试一、滤波器原理一、滤波器原理通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性：1.1 滤波器的技术指标滤波器的技术指标中心频率中心频率通带最大衰减通带最大衰减阻带最小衰减阻带最小衰减通带带宽通带带宽插入损耗：群时延插入损耗：群时延带内纹波：带内纹波：回波损耗、驻波比回波损耗、驻波比。1.2 插入衰减法设计滤波器插入衰减法设计滤波器1.2.1 理想工作衰减频率响应理想工作衰减频率响应1.2.1 工作衰减频率响应函数工作衰减频率响应函数1.2.2 优化函数（低通）优化函数（低通）(1).最平坦响应最平坦响应(Butterworth)阻带衰减：
2、阻带衰减： (2). 等波纹响应等波纹响应(Chebyshev polynomial)阻带衰减：阻带衰减： 1.3 滤波器的设计步骤滤波器的设计步骤（1）由衰减特性综合出低通原型（2）再进行频率变换，变换成所设计的滤波器类型（3）计算滤波器电路元件值（4）微波结构实现电路元件，并用微波微波仿真软件进行优化仿真。1.4 滤波器的低通原型滤波器的低通原型设计中都采用表格而不用繁杂的计算公式。低通原型电路结构1.巴特沃士：2.切比雪夫:1.5 滤波器的四种频率变换滤波器的四种频率变换1、低通滤波器与低通原型的变换、低通滤波器与低通原型的变换频率变换频率变换等衰减变换等衰减变换变换后在对应频率点上衰减
3、量不变，须对应的元件变换后在对应频率点上衰减量不变，须对应的元件值在两种频率下的具有相同的阻抗，即：值在两种频率下的具有相同的阻抗，即：2、高通滤波器与低通原型的变换、高通滤波器与低通原型的变换频率变换频率变换等衰减变换等衰减变换电感电感=电容电容电容电容=电感电感3、带通滤波器与低通原型的变换、带通滤波器与低通原型的变换频率变换频率变换等衰减变换等衰减变换电感电感=串联谐振串联谐振电容电容=并联谐振并联谐振4、带阻滤波器与低通原型的变换、带阻滤波器与低通原型的变换频率变换频率变换等衰减变换等衰减变换电感电感=并联谐振并联谐振电容电容=串联谐振串联谐振低通变换：低通变换：高通变换：高通变换：带
4、通变换：带通变换：带阻变换：带阻变换：二、集二、集总总参数参数滤滤波器波器例例：设设计计一一L-CL-C切切比比雪雪夫夫型型低低通通滤滤波波器器, ,截截止止频频率率为为75 75 MHz,MHz,通通带带内内衰衰减减为为3dB,3dB,波波纹纹为为1dB, 1dB, 频频率率大大于于100 100 MHz,MHz,衰衰减减大大于于20 20 dBdB，Z Z0 0=50=50。（1 1） 确定指标: 特性阻抗Z0=50, 截止频率fc=75MHz, 阻带边频fs=100MHz,通带最大衰减LAr=3dB,阻带最小衰减LAs=20dB。（2）计算元件级数n：n取最接近的整数,则n=5（3）查表
5、求原型元件值gi,低通变换：低通变换：（4）计算实际元件值（5）画出电路结构，进行电路仿真据设计指标参数，使用据设计指标参数，使用ADS中的滤波器设计向导工具自动生成滤波器电路中的滤波器设计向导工具自动生成滤波器电路例例2：设计一个：设计一个L-C切比雪夫型带通滤波器切比雪夫型带通滤波器,中心频率为中心频率为75 MHz, 3dB带宽为带宽为10MHz, 波纹为波纹为1dB, 工作频带外工作频带外7515MHz的衰减大于的衰减大于30dB, Z0=50。（1）确定指标:特性阻抗：Z0=50上通带边频： f1=75+5=80MHz下通带边频： f2=75-5=70MHz上阻带边频：fXU=75+
6、15=90MHz下阻带边频：fXL=75-15=60MHz通带内最大衰减：LAr=3dB阻带最小衰减：LAs=30dB（2）计算相关参数（3）计算元件节数nn取整数3（4）查表得原型元件值gi（5）带通变换（6）画出电路，进行仿真三、分布参数三、分布参数滤滤波器波器1、Richard变换变换短截线实现短截线实现 L、C2、高、低阻抗线、高、低阻抗线实现串联实现串联L、并联并联C，设计，设计LPF串联高、低阻抗线低通滤波器3、Kuroda恒等式恒等式(变换变换)设计设计LPF若采用高低阻抗线法，对传输线的制造有较高的要求，才能得到较理想的近似L、C；若采用短路线和开路线实现L、C，实际串联短路线
7、无法制造。这些问题可用Kuroda恒等式来设计解决。将并将并(串串)联短截线变换为串联短截线变换为串(并并)联短截线联短截线短截线间用短截线间用 l = /8的附加传输线的附加传输线(单位元件单位元件)连接。连接。(冗余设冗余设计、物理上分隔元件计、物理上分隔元件)将不易实现的特性阻抗传输线变换为易实现的特性阻抗传输线。将不易实现的特性阻抗传输线变换为易实现的特性阻抗传输线。如图示：并联开路如图示：并联开路线的特征阻抗为线的特征阻抗为Z Z2 2，与其相连传输线与其相连传输线的特征阻抗为的特征阻抗为Z Z1 1。那么它可等效为一那么它可等效为一特征阻抗为特征阻抗为Z Z1 1/n/n2 2的的
8、串联短路线与特征串联短路线与特征阻抗为阻抗为Z Z2 2/n/n2 2传输线传输线的串联。的串联。设计一个三阶微带低通滤波器设计一个三阶微带低通滤波器, fc=4GHz, 通带波纹为通带波纹为0.1dB,阻抗阻抗Z0=50。1.确定电路原型2.用Richard变换定变换定Z03. Kuroda恒等式恒等式(变换变换)4. 反归一化反归一化)4. 4. 平行耦合微带线实现平行耦合微带线实现BPF、BSF耦合微带线开路：耦合微带线开路：端口端口4全输出全输出1.确定电路原型3.查表、曲线或近似公式计算导带的宽度和耦合缝宽耦合微带线实现耦合微带线实现BPF的设计过程：的设计过程：平行耦合谐振单元带通
9、滤波器同轴腔体低通滤波器（1）三节低通原型元件值为: g0=g4=1, g1=g3=1.0316, g2=1.1474。（2）进行低通变换微带基板参数：Er=10.8H=1.27mmT=0.035mmtanD=0.001cond=5.86e7；用ADS微带线计算工具计算微带线的参数。特征阻抗242450509393微带线宽W3.9mm1.1mm0.16mm（4）高、低阻抗线的物理长度可以由以下公式得到：（5）建模仿真作业：对下面结构的微带支节低通滤波器的两种设计进行原理图和版图仿真，并分析其特性。考虑终端效应的终端开路微带分支线控件：微带线控件：例二、设计一平行耦合线带通滤波器，其设计指标为：
10、通带例二、设计一平行耦合线带通滤波器，其设计指标为：通带3.03.03.1GHz3.1GHz，带内衰减小于，带内衰减小于2dB2dB，起伏小于，起伏小于1dB1dB，2.8GHz2.8GHz以下及以下及3.3GHz3.3GHz以上衰减大于以上衰减大于40dB40dB，端口反射系数小于，端口反射系数小于-20dB-20dB。1.在工具栏中选择耦合线、微带线以及控件MSUB分别放置在绘图区中，将电路连接好。2.用微带线计算工具计算50、四分之一波长微带宽度和长度3.设置耦合微带线的参数n双击两边的引出线TL1、TL2，分别将其宽与长设为1.52 mm和2.5 mmn平行耦合线滤波器的结构是对称的，
11、所以第1、5及2、4节微带线长L、宽W和缝隙S的尺寸是相同的。耦合线的这些参数是滤波器设计和优化的主要参数，因此要用变量代替，便于后面修改和优化。nW1与W2参数代表耦合微带线左右相邻两侧的微带器件的线宽，在设置W1、W2时，为了让它们显示在原理图上，要把Display parameter on schematic的选项勾上。4.添加变量n单击工具栏上的VAR图标；放置在原理图上，依次添加各耦合线节的W，L，S参数。n耦合线节的长L约为四分之一波长，缝隙的宽度最窄只能取0.2mm(最好取0.5mm以上)。5.S参数仿真优化设置n设置完优化目标后保存原理图。n点击按钮进行优化仿真。优化过程中的状
12、态窗口显示优化的结果，其中的CurrentEF表示与优化目标的偏差，数值越小表示越接近优化目标，0表示达到了优化目标。n在多次优化完成后，要点击原理图窗口菜单中的Simulate-UpdateOptimizationValues保存优化后的变量值(在VAR控件上可以看到变量的当前值)，否则优化后的值将不保存。n经过数次优化后， CurrentEF的值为0，即为优化结束。优化过程中根据情况可能会对优化目标、优化变量的取值范围、优化方法及次数进行适当的调整。6.进行参数优化n优化完成后必须关掉优化控件，点击按钮，然后点击优化控件OPTIM、GOAL和TERM、SP7.生成版图执行菜单命令【Layo
13、ut】-【Generate/UpdateLayout】，弹出一个设置对话框，这里应用其默认设置，直接单击OK。在版图窗口执行菜单命令【Momentum】-【Substrate】-【UpdateFromSchematic】，将原理图的基板和微带参数更新到版图中。在版图窗口执行菜单命令【Momentum】-【Substrate】-【Creat/Modify】，可以查看和修改基板和微带的基本参数。8.版图仿真在版图窗口执行菜单命令【Insert】-【Port】，弹出port对话框。版图中插入二个端口，分别于端口1、端口2在版图窗口执行菜单命令【Momentum】-【Simulation】-【S-Pa
14、rameters】，打开仿真控制对话框，在“SweepType”下拉列表中选择“Adaptive”，设置起止频率与原理图相同，参数设置完成后，单击“Update”按钮。然后单击“Simulate”按钮，开始仿真。回去练习作业：作业：设计一平行耦合线带通滤波器，其设计指标为：通带设计一平行耦合线带通滤波器，其设计指标为：通带2.42.5GHz，带内衰减小于，带内衰减小于2dB，起伏小于，起伏小于1dB，2.3GHz以下及以下及2.7GHz以以上衰减大于上衰减大于40dB，端口反射系数小于，端口反射系数小于-20dB。 板材参数：板材参数：H:基板厚度基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相对介电
15、常数基板相对介电常数(2.65)Mur:磁导率磁导率(1)， Cond:金属电导率金属电导率(5.88E+7)Hu:封装高度封装高度(1.0e+33 mm)， T:金属层厚度金属层厚度(0.035 mm)TanD:损耗角正切损耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度表面粗糙度(0 mm)报告要求：报告要求：（1）简单叙述平行耦合线带通滤波器原理（自己查文献）；）简单叙述平行耦合线带通滤波器原理（自己查文献）；（2）给出滤波器的原理图和版图；）给出滤波器的原理图和版图；（3）给出原理图和版图仿真结果，并对其结果进行分析。）给出原理图和版图仿真结果，并对其结果进行分析。四、滤波器测试四、滤
16、波器测试（1）设设置置频频率：率：BF=1830MHz, F=2MHz,EF=1990MHz。 设置使设置使A下为下为插损插损 （2）仪仪器按器按测测插插损连损连接，在接，在仪仪器器输输入与入与输输出口上各接一根短出口上各接一根短电缆电缆。两。两电缆电缆末端各接一只末端各接一只10dB衰减器，再用一个双阴衰减器，再用一个双阴连连接起来。接起来。（3）执执行校直通。行校直通。（4）拔下双阴，将两根）拔下双阴，将两根电缆带电缆带衰减器的一端，分衰减器的一端，分别别接到接到滤滤波器的两端波器的两端口上，屏幕即口上，屏幕即显频显频响曲响曲线线，可按，可按键换键换档。档。记记下各下各频频点的插点的插损损
17、和相位和相位（20个频点并画出插损和相位曲线）个频点并画出插损和相位曲线）。1.插插损测损测量量（1）设置设置M M：常规：常规、A A下下 回损回损 （2） 仪器按图测回损连接，电桥测试端口接上双阳连接器一只，仪器按图测回损连接，电桥测试端口接上双阳连接器一只，即以双阳为新的测试端口，接阴开路负载，执行校开路。即以双阳为新的测试端口，接阴开路负载，执行校开路。（3）接上阴短路器，接上阴短路器，执执行校短路；接阴匹配行校短路；接阴匹配负载进负载进行校零。行校零。 。（4） 接上滤波器的输入插座，滤波器末端端接匹配负载。此时屏接上滤波器的输入插座，滤波器末端端接匹配负载。此时屏幕上已出现输入阻抗轨迹，可按幕上已出现输入阻抗轨迹，可按键换档。键换档。 。 （5） 按菜单键，选驻波返回。记下驻波和回损数据（按菜单键，选驻波返回。记下驻波和回损数据（20个频点并个频点并画出驻波曲线）画出驻波曲线）2.驻波测量驻波测量
