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ADS仿真：微帶濾波器的設計

摘要： 微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號, 使其不能通過濾波器, 只讓需要的信號通過。在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對電路的性能指標有很大的影響，因此如何設計出一個具有高性能的濾波器，對設計微波電路系統(tǒng)具有很重要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點，近年來在微波電路系統(tǒng)應用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應用之一，因此本節(jié)將重點研究如何設計并優(yōu)化微帶濾波器。

關鍵詞： 信號調理 ADS仿真濾波器優(yōu)化

Abstract：

Key words :

微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號, 使其不能通過濾波器, 只讓需要的信號通過。在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對電路的性能指標有很大的影響，因此如何設計出一個具有高性能的濾波器，對設計微波電路系統(tǒng)具有很重要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點，近年來在微波電路系統(tǒng)應用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應用之一，因此本節(jié)將重點研究如何設計并優(yōu)化微帶濾波器。

1 微帶濾波器的原理

微帶濾波器當中最基本的濾波器是微帶低通濾波器，而其它類型的濾波器可以通過低通濾波器的原型轉化過來。最大平坦濾波器和切比雪夫濾波器是兩種常用的低通濾波器的原型。微帶濾波器中最簡單的濾波器就是用開路并聯(lián)短截線或是短路串聯(lián)短截線來代替集總元器件的電容或是電感來實現(xiàn)濾波的功能。這類濾波器的帶寬較窄，雖然不能滿足所有的應用場合，但是由于它設計簡單，因此在某些地方還是值得應用的。

2 濾波器的分類

最普通的濾波器的分類方法通常可分為低通、高通、帶通及帶阻四種類型。圖12.1給出了這四種濾波器的特性曲線。

按濾波器的頻率響應來劃分，常見的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及橢圓型等；按濾波器的構成元件來劃分，則可分為有源型及無源型兩類；按濾波器的制作方法和材料可分為波導濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器。

3 微帶濾波器的設計指標

微帶濾波器的設計指標主要包括：

       1絕對衰減（Absolute attenuation）：阻帶中最大衰減（dB）。
       2帶寬（Bandwidth）：通帶的3dB帶寬（flow—fhigh）。
       3中心頻率：fc或f0。
       4截止頻率。下降沿3dB點頻率。
       5每倍頻程衰減（dB/Octave）：離開截止頻率一個倍頻程衰減（dB）。
       6微分時延（differential delay）：兩特定頻率點群時延之差以ns計。
       7群時延（Group delay）：任何離散信號經過濾波器的時延（ns）。
       8插入損耗（insertion loss）：當濾波器與設計要求的負載連接，通帶中心衰減，dB
       9帶內波紋（passband ripple）：在通帶內幅度波動，以dB計。
       10相移（phase shift）：當信號經過濾波器引起的相移。
       11品質因數Q（quality factor）：中心頻率與3dB帶寬之比。
       12反射損耗（Return loss）
       13形狀系數（shape factor）：定義為。
       14止帶（stop band或reject band）：對于低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定點（如60dB點）的帶寬。

工程應用中，一般要求我們重點考慮通帶邊界頻率與通帶衰減、阻帶邊界頻率與阻帶衰減、通帶的輸入電壓駐波比、通帶內相移與群時延、寄生通帶。前兩項是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術指標，決定了濾波器的性能和種類(高通、低通、帶通、帶阻等)；輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大??；群時延是指網絡的相移隨頻率的變化率，定義為 dU/df ，群時延為常數時，信號通過網絡才不會產生相位失真；寄生通帶是由于分布參數傳輸線的周期性頻率特性引起的，它是離設計通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設計時要避免阻帶內出現(xiàn)寄生通帶。

4 微帶濾波器的設計

            本小節(jié)設計一個微帶低通濾波器，濾波器的指標如下：
                  通帶截止頻率：3GHz。
                  通帶增益：大于-5dB，主要由濾波器的S21參數確定。
                  阻帶增益：在4.5GHz以上小于-48dB，也主要由濾波器的S21參數確定。
                  通帶反射系數：小于-22dB，由濾波器的S11參數確定。
        在進行設計時，我們主要是以濾波器的S參數作為優(yōu)化目標。S21(S12)是傳輸參數，濾波器通帶、阻帶的位置以及增益、衰減全都表現(xiàn)在S21(S12)隨頻率變化的曲線上。S11(S22)參數是輸入、輸出端口的反射系數，如果反射系數過大，就會導致反射損耗增大，影響系統(tǒng)的前后級匹配，使系統(tǒng)性能下降。

了解了濾波器的設計原理以及設計指標后，下面開始設計微帶低通濾波器。

4.1建立工程

新建工程，選擇【File】→【New Project】，系統(tǒng)出現(xiàn)新建工程對話框。在name欄中輸入工程名：microstrip_filter，并在Project Technology Files欄中選擇ADS Standard：Length unit——millimet，默認單位為mm，如圖12.2所示。單擊OK，完成新建工程，此時原理圖設計窗口會自動打開。

4.2原理圖和電路參數設計

工程文件創(chuàng)立完畢后，下面介紹微帶低通濾波器的原理圖設計過程。
1）在原理圖設計窗口中選擇TLines-Microstrip元件面板列表，窗口左側的工具欄變?yōu)槿鐖D12.3所示。并選擇6個MLIN、5個MLOC、1個MSUB按照圖12-4所示的方式連接起來。

2）設置圖12-4中的控件MSUB微帶線參數

              H:基板厚度(0.1 mm)
              Er:基板相對介電常數(2.16)
              Mur:磁導率(1)
              Cond:金屬電導率(6.14E+7)
              Hu:封裝高度(1.0e+33 mm)
             T:金屬層厚度(0.001 mm)
             TanD:損耗角正切(1e-3)
              Roungh:表面粗糙度(0 mm)
             完成設置的MSUB控件如圖12.5所示。

3）濾波器兩端的引出線是50 Ohm的微帶線，它的寬度W可由微帶線計算工具算出。選擇【Tools】→【LineCalc】→【Start LineCalc】命令。在打開的窗口中輸入如圖12-6所示的內容。

              在Substrate Parameters欄中填入與MSUB相同的微帶線參數。
             在Component Parameters欄中填入中心頻率（本例為3.0GHz）。
             Physical欄中的W和L分別表示微帶線的寬和長。
             Electrical欄中的Z0和E_Eff分別表示微帶線的特性阻抗和相位延遲，點擊Synthesize和Analyze欄中的和箭頭，可以進行W、L與Z0、E_Eff間的相互換算。本例中Z0為50Ohm，E_Eff為45deg，W為0.31008mm，L為9.18284mm。另外打開的一個窗口顯示當前運算狀態(tài)以及錯誤信息，如圖12.7所示。

4）雙擊兩邊的引出線TL1、TL6，分別將其寬與長設為0.31006 mm和1.5 mm。其余的微帶線長度設為9.18284，寬度是濾波器設計和優(yōu)化的主要參數，因此要用變量代替，便于后面修改和優(yōu)化。微帶濾波器的結構是對稱的，因此設置了W1、W2、W3、W4、W5共5個變量。

雙擊每個微帶線設置參數，W分別設為相應的變量，單位mm。在設置寬度的5個變量時，為了讓它們顯示在原理圖上，要把Display parameter on schematic的選項勾上。設置完變量的原理圖如圖12.8所示。

5）由于原理圖中的MLIN和MLOC的寬度都是變量，因此需要在原理圖中添加一個變量控件。單擊工具欄上的VAR 圖標，把變量控件VAR放置在原理圖上，雙擊該圖標彈出變量設置窗口，依次添加各微帶線的W參數。

在Name欄中填變量名稱，Variable Value欄中填變量的初值，點擊Add添加變量，然后單擊Tune/Opt/Stat/DOE Setup…按鈕設置變量的取值范圍，其中的Enabled/Disabled表示該變量是否能被優(yōu)化，Minimum Value表示可優(yōu)化的最小值Maximum Value表示可優(yōu)化的最大值，如圖12.9，12.10所示。

             微帶濾波器中微帶線的變量值及優(yōu)化范圍設置如下。
             W1=0.1679 opt{ 0.1 to2 }，表示W1的默認值為0.1679，變化范圍為0.1到2。
             W2=0.4772 opt{ 0.1 to 2 }，表示W2的默認值為0.4772，變化范圍為0.1到2。
             W3=0.5124 opt{ 0.1 to 2 }，表示W3的默認值為0.5124，變化范圍為0.1到2。
             W4=0.1269 opt{ 0.1 to 2 }，表示W4的默認值為0.1269，變化范圍為0.1到2。
             W5=0.1203 opt{ 0.1 to 2 }，表示W5的默認值為0.1203，變化范圍為0.1到2。
            這樣一個完整的微帶低通濾波器的電路就完成了，如圖12.11所示。

4.3 S參數仿真設置和原理圖仿真

上面已經詳細的闡述了原理圖的設計以及電路參數的設置，下面介紹S參數仿真設置和原理圖仿真。在執(zhí)行仿真之前，先進行S參數仿真設置。

1）S參數仿真設置

在原理圖設計窗口中選擇S參數仿真工具欄，Simulation-S_Param。選擇Term放置在濾波器兩邊，用來定義端口1和2，并放置兩個地，按照圖12.12連接好電路。

          選擇S參數掃描控件放置在原理圖中，并設置掃描的頻率范圍和步長。雙擊S參數仿真控制器，參數設置如下。
            Start=0 GHz，表示頻率掃描的起始頻率為0 GHz。
            Stop=5 GHz，表示頻率掃描的終止頻率為5 GHz。
            Step=0.01 GHz，表示頻率掃描的頻率間隔為0.01 GHz。
          完成參數設置的S參數仿真控制器如圖12.13所示。

調整電路原理圖和各種控件，最終得到的電路原理圖如圖12.14所示。

這樣就完成了微帶低通濾波器S參數的仿真設置，下面開始對濾波器進行仿真。
2）原理圖仿真
單擊工具欄上的simulate按鈕或是點擊simulate→simulate，當仿真結束后，系統(tǒng)會自動彈出一個數據顯示窗口，在數據顯示窗口中插入一個S21參數的矩形圖，再點擊maker→New，可在圖中加一標記，如圖12.15所示。從圖中可以看出，S21參數曲線是一個低通濾波器的形狀，但是與設計指標的要求還有一定的差距。以同樣的方式插入一個S11參數的矩形圖，加上一個Marker點，如圖12.16所示。從圖中可以看出，S11在通帶內基本滿足工程設計的要求，但是還有待于進一步改善，使端口的反射系數更小。

通過仿真我們可以看出，濾波器的參數指標還不滿足要求，這就需要我們通過優(yōu)化仿真來使濾波器的參數滿足設計的要求，下面就來介紹關于電路優(yōu)化方面的內容。

4.4優(yōu)化電路參數

由于濾波器的參數并未達到指標要求，因此需要優(yōu)化電路參數，使之達到設計要求。優(yōu)化電路參數的具體步驟如下：

1) 在原理圖設計窗口中選擇優(yōu)化面板列表optim/stat/Yield/DOE,在列表中選擇優(yōu)化控件optim，雙擊該控件設置優(yōu)化方法和優(yōu)化次數，常用的優(yōu)化方法有Random(隨機)、Gradient(梯度)等。隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。設置完成的控件如圖12.17所示。

2）在優(yōu)化面板列表中選擇優(yōu)化目標控件Goal放置在原理圖中，雙擊該控件設置其參數，如圖12.18所示。

Expr是優(yōu)化目標名稱，其中dB(S(2,1))表示以dB為單位的S21參數的值。

SimlnstanceName是仿真控件名稱，這里選擇SP1

Min和Max是優(yōu)化目標的最小與最大值。

Weight是指優(yōu)化目標的權重。

RangeVar[1]是優(yōu)化目標所依賴的變量，這里為頻率freq。

RangeMin[1]和RangeMax[1]是上述變量的變化范圍。

這里總共設置了三個優(yōu)化目標，前二個的優(yōu)化參數都是S21，用來設定濾波器的通帶和阻帶的頻率范圍及衰減情況，最后一個的優(yōu)化參數是S11，用來設定通帶內的反射系數(這里要求小于-25dB)，具體如圖12.19所示。由于原理圖仿真和實際情況會有一定的偏差，在設定優(yōu)化參數時，可以適當增加通帶寬度。對于其它的參數，也可以根據優(yōu)化的結果進行一定的調整。

3）設置完優(yōu)化目標后把原理圖存儲一下，然后點擊工具欄中的Simulate按鈕開始進行優(yōu)化仿真。在優(yōu)化過程中會打開一個狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化的結果(如圖12.20)，其中的CurrentEF表示與優(yōu)化目標的偏差，數值越小表示越接近優(yōu)化目標，0表示達到了優(yōu)化目標，下面還列出了各優(yōu)化變量的值，當優(yōu)化結束時還會打開數據顯示窗口。在數據顯示窗口中我們可以觀察S11參數和S21參數，如圖12.21所示。從圖中可以看出，濾波器的S11參數和S21參數滿足設計要求。

需要注意的是在一次優(yōu)化完成后，要點擊原理圖窗口菜單中的Simulate -> Update Optimization Values保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存。
如果一次優(yōu)化不能滿足設計指標要求，根據情況需要對優(yōu)化目標、優(yōu)化變量的取值范圍、優(yōu)化方法及次數進行適當的調整，經過數次優(yōu)化后，當CurrentEf的值為0，即為優(yōu)化結束。

4）優(yōu)化完成后必須關掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。點擊原理圖工具欄中的按鈕，然后點擊優(yōu)化控件OPTIM，則控件上打了紅叉表示已經被關掉。要想使控件重新開啟，只需點擊工具欄中的按鈕，然后點擊要開啟的控件，則控件上的紅叉消失，功能也重新恢復了。對于原理圖上其他的部件，如果想使其關閉或開啟，也可以采取同樣的方法。

5）點擊工具欄中的Simulate按鈕進行仿真，仿真結束后會出現(xiàn)數據顯示窗口。在數據顯示窗口觀察濾波器的S11和S21曲線，其結果與優(yōu)化結果相同。

4.5其他參數

在進行原理圖仿真時，還可以看到濾波器的群時延以及輸入的電壓駐波比等參數。雙擊S參數控件，在其設置窗口的Parameters選項卡中勾上Group delay選項，就會在仿真時計算群時延。把左側工具欄設為Simulation-S_param，并把VSWR控件放置在原理圖中，即可計算輸入駐波比。
要觀察這兩個參數的曲線，只需在仿真后出現(xiàn)的圖形顯示窗口中添加delay(2,1)及VSWR的曲線即可。當優(yōu)化完成后，還可以把S參數仿真的頻率范圍加大，看看濾波器的寄生通帶出現(xiàn)在什么頻率上。

4.6 版圖的生成與仿真

原理圖的仿真是在完全理想的狀態(tài)下進行的，而實際電路板的制作往往和理論有較大的差距，這就需要我們考慮一些干擾、耦合等外界因素的影響。因此需要在ADS中進一步對版圖仿真。

1）版圖的生成

版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算，其結果比在原理圖中仿真要準確，但是它的計算比較復雜，需要較長的時間，可作為對原理圖設計的驗證。
①首先要由原理圖生成版圖，生成版圖前先要把原理圖中用于S參數仿真的兩個Term以及接地去掉，不讓他們出現(xiàn)在生成的版圖中。去掉的方法與前面關掉優(yōu)化控件的相同，都是使用按鈕，把這些元件打上紅叉。

②然后點擊菜單中的Layout -> Generate/Update Layout，彈出一個設置窗口（如圖12.22），直接點OK，又出現(xiàn)一個窗口（如圖12.23），再點OK，完成版圖的生成，這時會打開一個顯示版圖的窗口，里面有剛生成的版圖(如圖12.24) 。

③版圖生成后先要設置微帶電路的基本參數(即原理圖中MSUB里的參數)，點擊版圖窗口菜單中的Momentum -> Substrate -> Update From Schematic從原理圖中獲得這些參數，點擊Momentum -> Substrate -> Create/Modify可以修改這些參數。

④為了進行S參數仿真，需要在濾波器兩側添加兩個端口，點擊工具欄上的Port按鈕，彈出port設置窗口，點擊OK關閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別點擊添加上兩個port端口。

2）版圖的仿真

①點擊Momentum -> Simulation -> S-parameter彈出仿真設置窗口，該窗口右側的Sweep Type選擇Adaptive，起止頻率設為與原理圖中相同，采樣點數限制取10 (因為仿真很慢，所以點數不要取得太多)。然后點擊Update按鈕，將設置填入左側列表中，點擊Simulate按鈕開始進行仿真。仿真過程中會出現(xiàn)一個狀態(tài)窗口顯示仿真進程。