切比雪夫帶通濾波器要點

課程設(shè)計題目切比雪夫帶通濾波器的設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)號所在院（系） 物理與電信工程學(xué)院 專業(yè)班級 電子1104 指導(dǎo)教師 聶翔 完成地點 博遠(yuǎn)樓計算機實驗室 2014年1月08日摘要微波濾波器在衛(wèi)星通信、雷達(dá)技術(shù)、電子對抗及微波測量儀器中都有廣泛的應(yīng)用。無論是發(fā)射機還是接收機，都需要選擇特定頻率的信號進(jìn)行處理，濾除其他頻率的干擾信號，這就需要使用濾波電路來分離有用信號和干擾信號。切比雪夫濾波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦，切比雪夫濾波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小。本文借助ADS2008仿真軟件，設(shè)計出一種切比雪夫帶通濾波器，簡化了設(shè)計步驟，節(jié)省了設(shè)計時間。關(guān)鍵字：ADS軟件帶通濾波器切比雪夫目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1設(shè)計方法與參數(shù) 3\o"CurrentDocument"1.1將帶通原型參數(shù)變換為低通原型參數(shù)； 3\o"CurrentDocument"1.2參數(shù)計算 3\o"CurrentDocument"2軟件仿真 4\o"CurrentDocument"2.1創(chuàng)建項目 4\o"CurrentDocument"2.2利用ADS的計算工具tools完成對微帶濾波器的計算 5\o"CurrentDocument"2.3設(shè)計原理圖 5\o"CurrentDocument"2.4原理圖仿真 6\o"CurrentDocument"2.5原理圖優(yōu)化 8\o"CurrentDocument"2.6版圖生成與仿真 12\o"CurrentDocument"3設(shè)計心得： 13\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 141設(shè)計方法與參數(shù)設(shè)計帶通濾波器的方法有很多種，但最為產(chǎn)檢的是低通原型濾波器綜合法和數(shù)值法，這兩種方法與設(shè)計師多種可能解決方案之間的抉擇緊密關(guān)聯(lián)。相對與巴特沃茲濾波器，切比雪夫濾波器具有的較窄的過渡帶，但這是以犧牲濾波器通帶和阻帶的波紋性換來的。主要的技術(shù)指標(biāo)：（1） 中心頻率f:2.5GHz;（中心頻率f=k'fhfi，f、f分別為帶通濾波器的上、下邊界頻率。）（2） 輸入輸出阻抗：50Q；（3） 帶內(nèi)波動：3dB;（通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量）（4） 相對帶寬：20%;（信號帶寬與中心頻率之比）（5） 階數(shù)：3階1.1將帶通原型參數(shù)變換為低通原型參數(shù);f,f-f,f-fBWff； 、 一一、? =n由低通原型濾波器變換為帶通濾波器的公式為：訂1其中《=叮為帶通濾波器中心頻率，二、f分別為帶通濾波器的上、下邊界頻率。BW為濾波器的帶寬BW=fh-f。依據(jù)切比雪夫低通濾波器原型的歸一化元件值可得：3階帶通濾波器元件值依次為:g0=1.0、g1=1.5963、g2=1.0967、g3=1.5963、g4=1.0。1.2參數(shù)計算Ji,i+1JJi,i+1Jn,n+1Z0%%句+1由上式的通帶電路設(shè)計參數(shù)可以得到奇模和偶模特征阻抗，其值為:Z」,i廣Z。卜zoJ,,i+1+G。J,i+1>:Z「,,+1=Z°[1+ZoJ,,,+i+(ZoJ,,,+i):式中Z0為特征阻抗，取值為50Q,將g0=1.0、g1=1.5963、g2=1.0967、g3=1.5963、g4=1.0帶入上述式中依次得到:J0」=0.0140、J?=0.0119、J2,3=0.0119、J3,4=0.0140解出特征阻抗為：奇模：ZI=39.50、ZI=37.95、ZI=37.95、ZI=39.50O0,1 O1,2 O2,3 O3,4偶模：ZI=109.50、ZI=97.45、ZI=97.45、ZI=109.50E0,1 E1,2 E2,3 E3,42軟件仿真2.1創(chuàng)建項目啟動ADS軟件，彈出主視窗。選擇主視窗中的【file］菜單-＞【newproject】，彈出【newproject］對話框，在【newproject］對話框輸入項目名稱和這個項目默認(rèn)的長度單位。2.2利用ADS的計算工具tools完成對微帶濾波器的計算ADS軟件中的工具tools,可以對不同類型的傳輸線進(jìn)行計算，使用者可以利用計算工具提供的圖形化界面進(jìn)行設(shè)計。對于平行耦合微帶線來說，可以進(jìn)行物理尺寸和電參數(shù)之間的數(shù)值計算，若給定平行耦合微帶線奇模和偶模的特性阻抗，可以計算平行耦合微帶線導(dǎo)體帶的角度和間隔距離。下面利用ADS軟件提供的計算工具，完成對平行耦合微帶線的計算。在原理圖上，選擇【tools】菜單-＞【LineCalc】-＞【StartLineCalc］命令，彈出【LineCalc】計算窗口。如圖示。設(shè)置所需參數(shù)。在【LineCalc】計算窗口選擇如下:Er=2.7，表示微帶線基板的相對介電常數(shù)為2.7。Mur=1，表示微帶線的相對磁導(dǎo)率為1。H=1mm，表示微帶線基板的厚度為1mm。Hu=1.0e+033，表示微帶線的封裝高度為1.0e+033。T=0.05mm，表示微帶線的導(dǎo)體厚度為0.05mm。Cond=5.8E+7，表示微帶線導(dǎo)體的電導(dǎo)率為5.8E+7。TanD=0.0003，表示微帶線的損耗角正切為0.0003.Freq=2.4GHZ，表示計算時采用的頻率為2.4GHZ.Ze，表示計算時偶模的特性阻抗。Z：，表示計算時奇模的特性阻抗。2.3設(shè)計原理圖在原理圖的元件面板列表中，選擇【TLines-Microstrip］，元件面板上出現(xiàn)對應(yīng)的元件圖標(biāo)。在元件面板上選擇Mcfil，4次插入原理圖的畫圖區(qū)，可以設(shè)置這段微帶線的導(dǎo)體帶寬度W，導(dǎo)體帶間隔S和長度L。分別雙擊畫圖區(qū)的4個Mcfil，將4個Mcfil的數(shù)值根據(jù)

列表中的數(shù)值設(shè)置，在微帶線元件面板上選擇MLIN，兩次插入原理圖的畫圖區(qū)，MLIN是一段長度的微帶線，可以設(shè)置這段微帶線的寬度W和長度L。分別雙擊可以設(shè)置。選擇S參數(shù)仿真元件面板，在元件面板上選擇負(fù)載終端Term，兩次插入原理圖，再插入兩次地線，完成連線如下圖於milermlNum=1Z.=5QOhmMLINTL1Subst^MSubVW=2.63mm-L=20.1mm.MCHL...CLinl'Subsf="MSubrW-1.710mmS=0064mmL=21.32mm於milermlNum=1Z.=5QOhmMLINTL1Subst^MSubVW=2.63mm-L=20.1mm.MCHL...CLinl'Subsf="MSubrW-1.710mmS=0064mmL=21.32mmMSub?MSUB..MSubl. ..H=1mm.....*2了. .Mur=1Cond=5.8E+7Hu=10e+033mmT=0.05mm-.TanD=00003..Rough=0mmS-PARAMETERSS_ParamSP1Start=1.0GHZStop=4GHzStep=20MH乙Subst="MSub儼W-1.801mmS=0.0788mm.L=21.193mm.MLINTL2Subst^MSubVW-2.63mmL=201mm"[erm.Term2Num=2Z=50OhmVARVAR1w1=1.710{o}=0.064{0}11=21.32{0}.=0.0788{O}12=21.i93{0}w2=1.801{0}w0=2.63{0}10=20.1{0}.MCFILCLin3Subst=''MSub1"W=1.801mmcLin4S=0.0788mmSubst="MSub1"L=21.193mmw=1.710mm S=0064mm L=2L32m.m..2.4原理圖仿真在仿真之前，首先設(shè)置S參數(shù)仿真控件SP，SP對原理圖中的仿真參量給出取值范圍，當(dāng)S參數(shù)仿真控件SP確定后，就可以仿真了。在S參數(shù)仿真元件面板【Simulation-S_Param上，選擇S參數(shù)仿真控件SP，插入原理圖區(qū)，對S參數(shù)控件設(shè)置如下start=1.0GHz，stop=4GHz，step=20MHz

S-PARAME7ERSS_ParamSP1Start=1.0GHzStop=4GHzStep=20MHz仿真后波形如下mlfreq=1940GHzdB(S(Z1))3571m3mlfreq=1940GHzdB(S(Z1))3571m3freq=2.440GHzdB(S(2J))353Qm2freq=2.900GHzdB(S(21))3579freq,GHzfreq,GHz序號頻率dB(S(2，1))M11.940GHz0.571M22.900GHz0.579M32.440GHz0.530從圖中得中心頻率為2.44，出現(xiàn)偏移，且通帶帶寬太大，帶內(nèi)紋波和衰減不滿足要求，所以要進(jìn)行優(yōu)化。

2.5原理圖優(yōu)化修改平行微帶線段的取值方式，將平行耦合微帶線段的導(dǎo)體帶寬度w、兩個導(dǎo)體帶的間隔S隔S和耦合微帶線的長度L設(shè)置為變量，并設(shè)置相鄰平行耦合微帶線的尺寸，分別在下面窗口中設(shè)置4段微帶線R，12nnvar ~VAR1 w1=2.026219(t}{o}w2=2.5701s1=0.27101ft}fo}s2=1.240136{t}{。}11=21.4913{t}{0}在原理圖中插入優(yōu)化控件Optim，雙擊優(yōu)化控件Optim，設(shè)置優(yōu)化次數(shù)為100次

OPTIMOptimOptim1 OptimType=F?andom UseAIIGoals-yesMaxlters=100 SavBCurrentEF=noDesiredError=0.0 StatusLevel=4 FinalAnalysis="None"NormaiizeGoals=nc SetBestVa1ues=yes Sesd= SawsSolns=yes SawBGpals=yes SaveOptimVars=noUpdateDataset=yes Sa\ieNominal-no SaveAlllterations=no UseAIIOptVars=yes 在原理圖中插入3個目標(biāo)控件GOAL,雙擊設(shè)置如下GOALGOALGOALGOALGOALGOALGoal OptimGoall..Expr=Goal OptimGoall..Expr=ndB(S(2,1))"SimlnstanceName-'SP1"Min=0.5 Max= Weight- RangeVar[1]=,,freqMRangeMin[1]=2.25GHzRangeMa41]=2.75GHzGoaI■ ■ ? ■ ? ■ ?.OptimGoal2 Expr="dB(S(2,1))nSimlnstanceName="SP1nMin= Max=20 Weight= RangeVar[1]="freq"RangeMin[1]=1.89GHzRangeMa41]=1.9GHzGoaI**-■---OptimGoal3 Expr="dB(S(2,1))"SimlnstanceName="SP1"Min= Max=20■Weight= RangeVar[1]="freq"F?angeMin[1]=2.9GHzRangeMajl]=2.91GHz最后所得的優(yōu)化原理圖為OPTIMOptim .Optiml .Optim1ype=Random.UseAIIGpals=y.es.Maxlters=1OOSaveCurrentEF=no'DesiredError=0.0‘'StatuSLeVelM FinalAnalysis="None" .NormalizeGoals=no .SetBest\/aIues=fyes Seed='SaveSolhs=yes'SaveGoals=yesSaveQptirriVars=no .UpdateDatasetzyes .SaveNominal=no.SaveAlllterations=no'Use^H0pNars=yes''MLIN..??TL1 Subst=：MSubr.W=wO.mm..L=IOmm+ □—OPTIMOptim .Optiml .Optim1ype=Random.UseAIIGpals=y.es.Maxlters=1OOSaveCurrentEF=no'DesiredError=0.0‘'StatuSLeVelM FinalAnalysis="None" .NormalizeGoals=no .SetBest\/aIues=fyes Seed='SaveSolhs=yes'SaveGoals=yesSaveQptirriVars=no .UpdateDatasetzyes .SaveNominal=no.SaveAlllterations=no'Use^H0pNars=yes''MLIN..??TL1 Subst=：MSubr.W=wO.mm..L=IOmm+ □—MCFIL..?CUnl???.Subst="MSubr.W=w1mm.S=s1mm■L=I1rtim■■*-EZIMSubMSUB...MSubl'H=1mm''Er=27..-Mu仁1??-Cond=5.8E+7.Hi^1.0et033mmT=0.05mm1anD=0.0003'Rough=0mm?S-PARAMETERSS_Param??SP1...Sta(t=tOGhtStop=4GHzStep=20MHzG.OALGOAL□Zb—.MCFIL?-.-CLin2?-?.Subst="MSubK.W=w2mm..S=s2mm'L=I2mm'圉*AR■■?VAR1...w1=2542(t}{0}s1=QQ88(t}{0}.11=21.32{t}{6s2=Q433{t}{0}.12=19.69(t}{0}.w2=2161.{t}{^w0=263{t}{o}'I0=20.i{tj{o}MCFIL-CUn3 Sutet^MSubr,,^ MLINW=w2.mm.CLjn4 TL2S=^mm Sub6t="MSubr. .Subst="MSubl：L=izmm yv=w1mm . .W=wQmmS=s1mm L=IOmm L=I1mmGOALGoalOptimGoalTExp^"dB(S(2,1)r---SimlnstanceName="SP1"Min=0.5 Max=Weight=RXigfeV細(xì)="freq?,'R?igeMrn[1]=2:4GHzRangeMax(1]=26GHzGoal OptimGoaGExpf^"dB(S(2;1))r?-SimlnstanceName^SPI"Minp Max=50Weight=RarlgeVarfl]="fr^q"'RangeMin[1]=2.35GHzRangeMax[1]=236GHzGoal OptimGoaB''Exp^dB(S(2,1))"---SimlnstanceName='SP1-Min= Max=50Weight=RangfeVar[1J=lteq-,'RangeMrn[1j=2.63GI-fcRangeMax[1]=264GHz.得到仿真的波形圖如下，m2fnefl=2.10QGHzdB(S(2T：；Al.954optlter=Dfpeq=.2.5[X]GHzdB(8(2,1))=-□.956optlter=Cim3fnefl=2.90aGHz579optlter=0freq,GHz如上圖所示，優(yōu)化后并不滿足設(shè)計要求。最后通過工具欄中鞘mulate】一＞[Tuning]進(jìn)行調(diào)諧。如下圖所示：得到仿真圖如下:a二j狗ffip借況-sctfipfineq,GHzm7freq=2.160GHzi.a得到仿真圖如下:a二j狗ffip借況-sctfipfineq,GHzm7freq=2.160GHzi.a1$ 2jo2.53ja 4.afreq,GHzmlfreq=2.240GHzdB(S(2?1))^-0.566m3fre<|=2.400GHzdB(S(2mlfreq=2.240GHzdB(S(2?1))^-0.566m3fre<|=2.400GHzdB(S(2n1)>-3.410m4freq=2.500GHzdB(S(2,1))=-2.324m2freq=2.760GHz-0.470rnrn2T4r-50—-60—1.0 1.5 2.0 2.5 rnrn2T4r-50—-60—1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5freq,GHz---o10-EIJSmp4.0S11：端口2匹配時，端口1的反射系數(shù);S22：端口1匹配時，端口2的反射系數(shù)；S12：端口1匹配時，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù);S21：端口2匹配時，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù);對于互易網(wǎng)絡(luò)，有：S12=S21；對于對稱網(wǎng)絡(luò)，有：S11=S22序號頻率Db(S(2,1))M12.240GHz-0.566M22.760GHz-0.470M32.400GHz-3.410M42.500GHz-2.324從上表可以看出：M4為中心頻率為2.5GHz在中心，滿足技術(shù)指標(biāo)，M1為上邊頻2.24GHz，M2為下邊頻2.76GHz，滿足技術(shù)指標(biāo)由M2和M3得帶內(nèi)波紋為2.940dB相對帶寬20%滿足技術(shù)指標(biāo)(2.24-2.76GHz)2.6版圖生成與仿真在原理圖視窗上，單擊原理圖工具欄中的【DeactiveorActiveComponent】按鈕，然后單擊兩個端口的Term、接地、和優(yōu)化控件，去掉階梯阻抗帶通濾波器兩個端口的Term、接地和優(yōu)化控件，不讓它們出現(xiàn)在生成的班圖中。選擇原理圖上的【Layout】菜單＞【Generate/UpdateLayout]，彈出【Gener