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1、实验四 射频滤波器设计、仿真与测试,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,中心频率通带最大衰减阻带最小衰减通带带宽插入损耗：群时延带内纹波：回波损耗、驻波比。,1.2 插入衰减法设计滤波器,1.2.1 理想工作衰减频率响应,1.2.1 工作衰减频率响应函数,1.2.2 优化函数（低通）,(1).最平坦响应(Butterworth),阻带衰减：,(2). 等波纹响应(Chebyshev polynomial),阻带衰减：,1.3 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（
2、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,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,1、低通滤波器与低通原型的变换,频率变换,等衰减变换,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：,2、高通滤波器与低通原型的变换,频率变换,等衰减变换,电感=电容,电容=电感,3、带通滤波器与低通原型的变换,频率变换,等衰减变换,电感=串联谐振,电容=并联谐振,4、带阻滤波器与低通原型的变换,频率变换,等衰减变换,电感=并联谐振,电容=串联谐振,低
3、通变换：,高通变换：,带通变换：,带阻变换：,二、集总参数滤波器,例：设计一L-C切比雪夫型低通滤波器,截止频率为75 MHz,通带内衰减为3dB,波纹为1dB, 频率大于100 MHz,衰减大于20 dB，Z0=50。,（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）查表求原型元件值gi,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ADS中的滤波器设计向导工具自动生成滤波器电路,例
4、2：设计一个L-C切比雪夫型带通滤波器,中心频率为75 MHz, 3dB带宽为10MHz, 波纹为1dB, 工作频带外7515MHz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=80 MHz下通带边频： f2=75-5=70 MHz上阻带边频： fXU=75+15=90 MHz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n,n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
5、滤波器,1、Richard变换短截线实现 L、C,2、高、低阻抗线实现串联L、并联C，设计LPF,串联高 、 低阻抗线低通滤波器,3、Kuroda恒等式(变换)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，实际串联短路线无法制造。这些问题可用Kuroda恒等式来设计解决。,将并(串)联短截线变换为串(并)联短截线,短截线间用 l = /8的附加传输线(单位元件)连接。(冗余设计、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。,如图示：并联开路线的特征阻抗为Z2，与其相连传输线的特征阻抗为Z1。
6、那么它可等效为一特征阻抗为Z1/n2的串联短路线与特征阻抗为Z2/n2传输线的串联。,设计一个三阶微带低通滤波器, fc=4GHz, 通带波纹为0.1dB,阻抗Z0=50。,1. 确定电路原型,2. 用Richard变换定Z0,3. Kuroda恒等式(变换),4. 反归一化),4. 平行耦合微带线实现BPF、BSF,耦合微带线开路：,端口4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BPF的设计过程：,平行耦合谐振单元带通滤波器,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
7、。,（2）进行低通变换,微带基板参数：Er=10.8 H=1.27mm T=0.035mm tanD=0.001 cond=5.86e7； 用ADS微带线计算工具计算微带线的参数。,（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：通带3.03.1GHz，带内衰减小于2dB，起伏小于1dB，2.8GHz以下及3.3GHz以上衰减大于40dB，端口反射系数小于-20dB。,在工具栏中选择耦合线
8、、微带线 以及控件MSUB 分别放置在绘图区中，将电路连接好。,用微带线计算工具计算50、四分之一波长微带宽度和长度,设置耦合微带线的参数,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 mm平行耦合线滤波器的结构是对称的，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。W1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。,添加变量,单击工具栏上
9、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。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0.2 mm(最好取0.5 mm以上)。,S参数仿真优化设置,设置完优化目标后保存原理图。点击 按钮进行优化仿真。优化过程中的状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。在多次优化完成后，要点击原理图窗口菜单中的Simulate - Update Optimization Values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。经过数次优化后， CurrentEF
10、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。,进行参数优化,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、SP,生成版图,执行菜单命令【Layout】-【Generate/Update Layout】，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】-【Update From Schematic】，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】-【Crea
11、t/Modify】，可以查看和修改基板和微带的基本参数。,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-Parameters】，打开仿真控制对话框，在“Sweep Type”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：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2dB，起伏小于1dB，2
12、.3GHz以下及2.7GHz以上衰减大于40dB，端口反射系数小于-20dB。 板材参数：H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相对介电常数(2.65)Mur:磁导率(1)， Cond:金属电导率(5.88E+7)Hu:封装高度(1.0e+33 mm)， T:金属层厚度(0.035 mm)TanD:损耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm)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）；（2）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。,四、滤波器测试,（1）设置频率：BF=1830MHz,F=2MHz,EF=1990M
13、Hz。 设置使A下为插损 （2）仪器按测插损连接，在仪器输入与输出口上各接一根短电缆。两电缆末端各接一只10dB衰减器，再用一个双阴连接起来。（3）执行校直通。（4）拔下双阴，将两根电缆带衰减器的一端，分别接到滤波器的两端口上，屏幕即显频响曲线，可按键换档。记下各频点的插损和相位（20个频点并画出插损和相位曲线） 。,插损测量,（1）设置M：常规、A下 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，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，执行校短路；接阴匹配负载进行校零。 。（4） 接上滤波器的输入插座，滤波器末端端接匹配负载。此时屏幕上已出现输入阻抗轨迹，可按键换档。 。 （5） 按菜单键，选驻波返回。记下驻波和回损数据（20个频点并画出驻波曲线）,驻波测量,
