微带滤波器的设计优化

微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号, 使其不能通过滤波器, 只让需要的信号通过。在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重要的意义。微带电路具有体积小，重量轻、频带宽等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应用之一，因此本节将重点研究如何设计并优化微带滤波器。

　　1 微带滤波器的原理

　　微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还是值得应用的。

　　2 滤波器的分类

　　最普通的滤波器的分类方法通常可分为低通、高通、带通及带阻四种类型。图12.1给出了这四种滤波器的特性曲线。

　　按滤波器的频率响应来划分，常见的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及椭圆型等;按滤波器的构成元件来划分，则可分为有源型及无源型两类;按滤波器的制作方法和材料可分为波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带滤波器。

　　3 微带滤波器的设计指标

　　微带滤波器的设计指标主要包括：

　　1绝对衰减(Absolute attenuation)：阻带中最大衰减(dB)。

　　2带宽(Bandwidth)：通带的3dB带宽(flow—fhigh)。

　　3中心频率：fc或f0。

　　4截止频率。下降沿3dB点频率。

　　5每倍频程衰减(dB/Octave)：离开截止频率一个倍频程衰减(dB)。

　　6微分时延(differential delay)：两特定频率点群时延之差以ns计。

　　7群时延(Group delay)：任何离散信号经过滤波器的时延(ns)。

　　8插入损耗(insertion loss)：当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减，dB

　　9带内波纹(passband ripple)：在通带内幅度波动，以dB计。

　　10相移(phase shift)：当信号经过滤波器引起的相移。

　　11品质因数Q(quality factor)：中心频率与3dB带宽之比。

　　12反射损耗(Return loss)

　　13形状系数(shape factor)：定义为。

　　14止带(stop band或reject band)：对于低通、高通、带通滤波器，指衰减到指定点(如60dB点)的带宽。

　　工程应用中，一般要求我们重点考虑通带边界频率与通带衰减、阻带边界频率与阻带衰减、通带的输入电压驻波比、通带内相移与群时延、寄生通带。前两项是描述衰减特性的，是滤波器的主要技术指标，决定了滤波器的性能和种类(高通、低通、带通、带阻等);输入电压驻波比描述了滤波器的反射损耗的大小;群时延是指网络的相移随频率的变化率，定义为 dU/df ，群时延为常数时，信号通过网络才不会产生相位失真;寄生通带是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的，它是离设计通带一定距离处又出现的通带，设计时要避免阻带内出现寄生通带。

　　4 微带滤波器的设计

　　本小节设计一个微带低通滤波器，滤波器的指标如下：

　　通带截止频率：3GHz。

　　通带增益：大于-5dB，主要由滤波器的S21参数确定。

　　阻带增益：在4.5GHz以上小于-48dB，也主要由滤波器的S21参数确定。

　　通带反射系数：小于-22dB，由滤波器的S11参数确定。

　　在进行设计时，我们主要是以滤波器的S参数作为优化目标。S21(S12)是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及增益、衰减全都表现在S21(S12)随频率变化的曲线上。S11(S22)参数是输入、输出端口的反射系数，如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。

　　了解了滤波器的设计原理以及设计指标后，下面开始设计微带低通滤波器。

　　4.1建立工程

　　新建工程，选择【File】→【New Project】，系统出现新建工程对话框。在name栏中输入工程名：microstrip_filter，并在Project Technology Files栏中选择ADS Standard：Length unit——millimet，默认单位为mm，如图12.2所示。单击OK，完成新建工程，此时原理图设计窗口会自动打开。

　　4.2原理图和电路参数设计

　　工程文件创立完毕后，下面介绍微带低通滤波器的原理图设计过程。

　　1)在原理图设计窗口中选择TLines-Microstrip元件面板列表，窗口左侧的工具栏变为如图12.3所示。并选择6个MLIN、5个MLOC、1个MSUB按照图12-4所示的方式连接起来。

　　2)设置图12-4中的控件MSUB微带线参数

　　H:基板厚度(0.1 mm)

　　Er:基板相对介电常数(2.16)

　　Mur:磁导率(1)

　　Cond:金属电导率(6.14E+7)

　　Hu:封装高度(1.0e+33 mm)

　　T:金属层厚度(0.001 mm)

　　TanD:损耗角正切(1e-3)

　　Roungh:表面粗糙度(0 mm)

　　完成设置的MSUB控件如图12.5所示。

3)滤波器两端的引出线是50 Ohm的微带线，它的宽度W可由微带线计算工具算出。选择【Tools】→【LineCalc】→【Start LineCalc】命令。在打开的窗口中输入如图12-6所示的内容。

　　

 

　　在Substrate Parameters栏中填入与MSUB相同的微带线参数。

　　在Component Parameters栏中填入中心频率(本例为3.0GHz)。

　　Physical栏中的W和L分别表示微带线的宽和长。

　　Electrical栏中的Z0和E_Eff分别表示微带线的特性阻抗和相位延迟，点击Synthesize和Analyze栏中的和箭头，可以进行W、L与Z0、E_Eff间的相互换算。本例中Z0为50Ohm，E_Eff为45deg，W为0.31008mm，L为9.18284mm。另外打开的一个窗口显示当前运算状态以及错误信息，如图12.7所示。

　　

 

　　4)双击两边的引出线TL1、TL6，分别将其宽与长设为0.31006 mm和1.5 mm。其余的微带线长度设为9.18284，宽度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。微带滤波器的结构是对称的，因此设置了W1、W2、W3、W4、W5共5个变量。

　　双击每个微带线设置参数，W分别设为相应的变量，单位mm。在设置宽度的5个变量时，为了让它们显示在原理图上，要把Display parameter on schematic的选项勾上。设置完变量的原理图如图12.8所示。

　　

 

　　5)由于原理图中的MLIN和MLOC的宽度都是变量，因此需要在原理图中添加一个变量控件。单击工具栏上的VAR 图标，把变量控件VAR放置在原理图上，双击该图标弹出变量设置窗口，依次添加各微带线的W参数。

　　在Name栏中填变量名称，Variable Value栏中填变量的初值，点击Add添加变量，然后单击Tune/Opt/Stat/DOE Setup…按钮设置变量的取值范围，其中的Enabled/Disabled表示该变量是否能被优化，Minimum Value表示可优化的最小值Maximum Value表示可优化的最大值，如图12.9，12.10所示。

　　

 

　　

 

　　微带滤波器中微带线的变量值及优化范围设置如下。

　　W1=0.1679 opt{ 0.1 to2 }，表示W1的默认值为0.1679，变化范围为0.1到2。

　　W2=0.4772 opt{ 0.1 to 2 }，表示W2的默认值为0.4772，变化范围为0.1到2。

　　W3=0.5124 opt{ 0.1 to 2 }，表示W3的默认值为0.5124，变化范围为0.1到2。

　　W4=0.1269 opt{ 0.1 to 2 }，表示W4的默认值为0.1269，变化范围为0.1到2。

　　W5=0.1203 opt{ 0.1 to 2 }，表示W5的默认值为0.1203，变化范围为0.1到2。

　　这样一个完整的微带低通滤波器的电路就完成了，如图12.11所示。

　　

 

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　　4.3 S参数仿真设置和原理图仿真

　　上面已经详细的阐述了原理图的设计以及电路参数的设置，下面介绍S参数仿真设置和原理图仿真。在执行仿真之前，先进行S参数仿真设置。

　　1)S参数仿真设置

　　在原理图设计窗口中选择S参数仿真工具栏，Simulation-S_Param。选择Term放置在滤波器两边，用来定义端口1和2，并放置两个地，按照图12.12连接好电路。

　　选择S参数扫描控件放置在原理图中，并设置扫描的频率范围和步长。双击S参数仿真控制器，参数设置如下。

　　Start=0 GHz，表示频率扫描的起始频率为0 GHz。

　　Stop=5 GHz，表示频率扫描的终止频率为5 GHz。

　　Step=0.01 GHz，表示频率扫描的频率间隔为0.01 GHz。

　　完成参数设置的S参数仿真控制器如图12.13所示。

　　

 

　　调整电路原理图和各种控件，最终得到的电路原理图如图12.14所示。

　　

 

　　这样就完成了微带低通滤波器S参数的仿真设置，下面开始对滤波器进行仿真。