微带带通滤波器.docx

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微带带通滤波器

射频技术

-----课程设计报告

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XX

指导教师

2016年4月16日

一、带通滤波器

（1）简介

带通滤波器是指能通过某一频率X围内的频率分量，但将其他X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（RLCcircuit）。

这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。

（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，并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X围完成。

实际上，并不存在理想的带通滤波器。

滤波器并不能够将期望频率X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X围。

这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度的dB数来表示。

通常，滤波器的设计尽量保证滚降X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X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缘处尤其明显，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，很常见的例子是使用带通滤波器过滤最近3到10天时间X围内的天气数据，这样在数据域中就只保留了作为扰动的气旋。

在频带较低的剪切频率f1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f1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，以选出各个不同频段的信号，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/（п*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/（2пfoAoC），R2=Q/（（2Q2-Ao）*2пfoC），R3=2Q/（2пfoC）。

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，它不仅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

边缘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，为此可采用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[9~10]。

通过对以上参数的测量就可以得到微带滤波器的各项参数。

测量完成后，观察网络分析仪的测量结果是否达到指标要求，并把结果与实际测量结果相比较。

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AdvancedDesignSystem，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（SPICE-likeSimulation）、频域电路仿真（HarmonicBalance、LinearAnalysis）、三维电磁仿真（EMSimulation）、通信系统仿真（municationSystemSimulation）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ADS2005A、ADS2004A、ADS2003C、ADS2003A、ADS2002C和ADS2002A等。

（2）设计步骤

微带线参数H:

基板厚度（1.6mm）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+33mm）

T:

金属层厚度（0.03mm）TanD:

损耗角正切（1e-4）Roungh:

表面粗糙度（0mm）

①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、起伏全都表现在S21（S12）随频率变化曲线的形状上。

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，并且影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。

图3-1微带带通滤波器模型及其等效电路图

②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阶切比雪夫标准低通滤波器参数。

③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。

④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。

⑤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缘场效应的影响，为此需要进行优化设定优化目标及优化控制器参数。

⑥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差别。

版图的仿真是采用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。

仿真得到的曲线不能满足指标要求，那么要重新回到原理图窗口进行优化仿真，产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差别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[9~10]。

通过对以上参数的测量就可以得到微带滤波器的各项参数。

测量完成后，观察网络分析仪的测量结果是否达到指标要求，并把结果与实际测量结果相比较。

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。

五、仿真图、测试图

滤波器原理图：

原理图仿真曲线：

用于生成版图的原理图：

版图仿真结果：

版图仿真曲线：

电路板图：

六、误差分析与心得

误差分析：

（1）所用电路板是普通的双层板，上层用来绘制电路，下层整个作为接地。

在受加工工艺的限制，尺寸精度到0.01 mm即可，线宽和缝隙宽度要大于0.2mm 

（2）考虑到加工电路板时的侧向腐蚀问题，微带线的宽度和长度要适当增加。

（3）在焊接技术方面，也需要得到很大的提高，因为焊点会影响到最后测量的结果与数据。

（4）最后测量时，也应排出外来干扰。

心得体会：

通过从耦合微带线的基本理论出发，根据利用ADS来进行微带带通滤波器的设计方法，设计出一个达到预期效果的微带带通滤波器。

学会并利用ADS软件可以大大减少我们的设计时间和工作量，并且提高了效率降低了制作成本。

在老师的带领下，我们从对于射频什么都不了解，然后开始着手于做出这个设计。

从设计图开始，到仿真，再到拿到图版，焊接，测试。

自己也掌握到了一些知识，虽然对于射频还是十分懵懂，但老师使我产生了比较浓厚的兴趣，也觉得射频技术在以后的生活中也是可以用到并且比较重要的一门学科。

通过这次设计操作，十分感谢老师给我们提供一次这样动手的机会，也感谢对我们的帮助，让我们对这门课程有了较好的了解。