射频技术课程设计陈述题目平行耦合线带通滤波器基于ADS的设计专业学号通信工程学号学生姓名指导教师4月16日u（1）简介带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量，但将其他范围的频率分量衰减到 极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。一个模拟带通滤波器的例子是电阻电感电 容电路（RLC circuit）。这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来发生。（2）工作原理一个理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带，在通带内没有放大或者衰减，而且 在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。实际上，其实不存在理想的带通滤波器。滤波器其实不克不及够将期望频率范围外的所 有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通 常称为滤波器的滚降现象，而且使用每十倍频的衰减幅度的dB数来暗示。通常，滤波器 的设计尽量包管滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚 降范围越来越小，通带就变得不再平坦，开始出现波纹”。这种现象在通带的边沿处尤其 明显，这种效应称为吉布斯现象。除了电子学和信号处理领域之外，带通滤波器应用的一个例子是在大气科学领域，很罕 见的例子是使用带通滤波器过滤最近3到10天时间范围内的天气数据，这样在数据域中就 只保存了作为扰动的气旋。在频带较低的剪切频率fl和较高的剪切频率f2之间是共振频率，这里滤波器的增益 最大，滤波器的带宽就是f2和fl之间的差值。(3) 典型应用许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器，以选出各个分歧频段的信 号，在显示上利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅度的大小。这种有源带通滤波器 的中心频率，在中心频率f0处的电压增益A0=B3/2B1，品质因数，3dB带宽B=1/(n*R3*C) 也可根据设计确定的Q、f0、A0值，去求出带通滤波器的各元件参数值。 R1=Q/(2nfoAoC)，R2=Q/(2Q2Ao)*2nfoC)，R3=2Q/(2nfoC)。上式中，当 f0=1KHz 时，C 取 0.01Uf。此电路亦可用于一般的选频放大。此电路亦可使用单电源，只需将运放正输入端偏置在1/2V+并将电阻R2下端接到运放 正输入端既可。二、平行耦合线(1) 简介平行耦合带通滤波器带通滤波器是一种分布参数滤波器滤波器，它是由微带线或耦合 微带线组成，其具有重量轻、结构紧凑、价格低、可靠性高、性能稳定等优点，因此在微 波集成电路集成电路中，它是一种被广为应用的带通滤波器。滤波器的基础是谐振电路， 它是一个二端口网络，对通带内的频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发 射衰减，从而实现信号频谱过滤功能。微波带通滤波器在无线通信系统通信系统中起着至 关重要的作用，尤其是在接收机前端。滤波器性能的优劣直接影响到整个接收机性能的好 坏，它不但起到频带和信道选择的作用，而且还能滤除谐波，抑制杂散。(2) 工作原理边沿耦合的平行耦合线由两条相互平行且靠近的微带线构成。根据传输线理论及带通 滤波器理论，带通滤波元件是由串臂上的谐振器和并臂上的谐振器来完成，但是在微带上 实现相间的串联和并联谐振元件尤为困难，为此可采取倒置转换器将串并联电路转化为谐 振元件全部串联或全部并联在线上。因此，单个耦合微带滤波器单元能够等效成一个导纳 倒置转换器和接在两边传输线段的组合。(3) 参数的调试需要调试的参数主要有以下几个：输入输出端口的反射参数S11, S22；通带内衰减和 阻带内衰减S21，S12；群延时910。通过对以上参数的丈量就可以得到微带滤波器的各 项参数。丈量完成后，观察网络分析仪的丈量结果是否达到指标要求，并把结果与实际丈 量结果相比较。如果测试结果与设计要求相差过多，则需要对电路进行调整，直至重新进 行设计、制板。三、具体设计(1) ADS软件介绍ADS电子设计自动化(ADS软件全称为Advanced Design System，是美国安捷伦公司所 生产拥有的电子设计自动化软件；ADS功能十分强大，包含时域电路仿真(SPICElikeSimulation)、频域电路仿真 (Harmonic Balance、Linear Analysis)、三维 电磁仿 真(EM Simulation)、通信系统仿真(Communication System Simulation)和数字信号处理仿真设计 (DSP)；支持射频和系统设计工程师开发所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的 射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，是当今国内各大学和研究所使用最多 的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。ADS软件版本有ADSA、ADSA、ADSC、ADSA、 ADSC 和 ADSA 等。(2) 设计步调设计指标：通带3.0 3.1GHz，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。(微带板材FR4，厚度1.6MM)微带线参数H:基板厚度(1.6 mm) Er:基板相对介电常数(4.3)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(0.03 mm) TanD损耗角正切(1e4) Roungh:概况粗糙度(0 mm) 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优化仿真。S21(S12)是传输 参数，滤波器通带、阻带的位置以及衰减、起伏全都表示在S21(S12)随频率变更曲线的形 状上。S11(S22)参数是输入、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。如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，而且影响系统的前后级匹配，使系 统性能下降。图31微带带通滤波器模型及其等效电路图 首先根据滤波器参数指标，计算出滤波器低通归一化频率，查切比雪夫滤波器衰 减特性表得滤波器级数n,同时查切比雪夫滤波器元件参数表可知具有带内波纹0.1db的6 阶切比雪夫尺度低通滤波器参数。 根据滤波器设计要求得到滤波器带宽，从而根据公式得到参数和奇偶模阻抗的 值。 选定电路板材参数如下：厚度h为1.6mm，介电常数为4.2,相对磁导率mur为 1，电导率cond为5.88e+7，金属层厚度为0.03mm。使用ads中的计算工具linecalc计算 微带线的宽度w、间距s和长度l。由此得到的各耦合段物理尺寸参数。 原理图的仿真优化。将上述结构尺寸输入ads中，并设置介质参数和扫频参数，进 行原理图仿真，其仿真结果如图4所示，可见中心频率出现了明显的偏移现象。这是由于 在设计平行耦合微带带通滤波器时没有考虑边沿场效应的影响，为此需要进行优化设定优 化目标及优化控制器参数。 微带滤波器的实际电路是由电路板和微带线构成行计算得出的，实际电路的性能可 能会与原理仿真图的结果有很大的不同。版图的仿真是采取矩量法直接对电磁场进行仿 真，其结果比在原理图中仿真更加准确。因此，可以将原理图生成版图进行矩量法 (momentm)仿真。仿真得到的曲线不克不及满足指标要求，那么要重新回到原理图窗口进 行优化仿真，发生这种情况的原因是相邻耦合线节间的线宽相差过大或者其他参数取值不 适合，这些可以改变优化变量的初值，也可以根据曲线与指标的不同情况适当调整优化目 标侧参数，重新进行优化。需要调试的参数主要有以下几个：输入输出端口的反射参数s11，s22;通带内衰减和 阻带内衰减s21。s12;群延时910。通过对以上参数的丈量就可以得到微带滤波器的各项 参数。丈量完成后，观察网络分析仪的丈量结果是否达到指标要求，并把结果与实际丈量 结果相比较。如果测试结果与设计要求相差过多，则需要对电路进行调整，直至重新进行 设计、制板。四、测试与分析分析：测试的结果尽管不是特别完美，但还是达到了设计指标的要求，是微带带通滤波器 的其中的一种，也可能跟焊接和设计制作些关系。以后如果涉及到此项内容，希望自己可 以做到更好。设计指标：通带3.0 3.1GHz，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。五、仿真图、测试图滤波器原理图:GOALI| AH! GMrRH(ir| NT cmr iRasMHgji GHeCMShiWMIEUKSrajT1 iMBWairtiML 奇 1a to-Hin- *Wia* IDD 4L】J J(甲11PtagrtbR T3.4QW z iFhaBfilWEf 旧硕慎id通GHiIJxqbvl 1-111 iHxwOfAnlUfflHlttK tiwted 福MiH3TrHnMm：*DaEdiwanESAdwrf 4!KJE5mWEESW1!rtlEF：TM-顷*UtAAdiNbttld .4UuWJffVli!lftfl JJOwtFI MMWHJHH=1J5 nmGrM.3 ihr 1Ifai顼血寸丑,.iTMLE3 mriTD=ta-4 lhu4l mmz(NFH.SHI 心胞 vE.wmg 间 |=3LEEWM t=Lt222 侗 睥 &1=lECGlcfi 42=芝帝II制I s3-4 iQi74a 挪 V0=21WI,倾版图仿真结果:*a c=i mSi祖 FSuW W=imIILzIS nvnFfZOmriof40He-oMUI IL OM RiAcit-llRijljr M=HCmn 9=tmm LdG? nmi WlMAdliHHrii MVZ=wtnmiEZP- NCI-H eu6 目皿。二一金也V5hiti &41 rm L-Nliiuj Eg rranSSM lWi |版图仿真曲线:SI S2?ml rreq3 0B6GHz田口皿笛:E