隨著社會越來越發(fā)達(dá)，大家都選擇在網(wǎng)絡(luò)上汲取相關(guān)知識內(nèi)容，比如帶通濾波器設(shè)計（二階有源帶通濾波器設(shè)計） ，為了更好的解答大家的問題，小編也是翻閱整理了相應(yīng)內(nèi)容，下面就一起來看一下吧！

【資料圖】

帶通濾波器設(shè)計(二階有源帶通濾波器設(shè)計)

ADS(高級設(shè)計系統(tǒng))用于設(shè)計平行耦合微帶帶通濾波器。為了縮短微帶帶通濾波器的設(shè)計周期，提高其性能，利用ADS中的無源電路設(shè)計指南工具，設(shè)計了一個中心頻率為3.0 GHz，帶寬為60 MHz的平行耦合微帶帶通濾波器。參數(shù)優(yōu)化后，進(jìn)行了電路版圖仿真。仿真結(jié)果表明，設(shè)計周期短，方法可行，設(shè)計的帶通濾波器滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。

廣告；微帶線；帶通濾波器；布局模擬

濾波器在無線通信系統(tǒng)中非常重要。它們可以用來分離和組合不同的頻率，起到選擇頻段和通道的作用，可以濾除諧波，抑制雜散。在微波系統(tǒng)中，濾波器的性能在整個電路的設(shè)計中起著重要的作用[1]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，由電感、電容等集總元件構(gòu)成的濾波器已經(jīng)不能滿足高頻濾波器的設(shè)計要求，而由分布參數(shù)元件構(gòu)成的微帶濾波器不僅能滿足高頻濾波器的設(shè)計要求[2]，還具有重量輕、小型化、易于集成在微波集成電路中的特點(diǎn)。

隨著市場需求的不斷提高，射頻電路的應(yīng)用頻率越來越高。為了滿足高速信號傳輸，對電路參數(shù)的要求越來越嚴(yán)格，但產(chǎn)品的設(shè)計周期越來越短。傳統(tǒng)的微帶濾波器設(shè)計方法是利用經(jīng)驗(yàn)公式查找微帶線的相關(guān)參數(shù)。因?yàn)檫@個過程繁瑣，計算量相當(dāng)大，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，容易出錯。因此，本文采用美國安捷倫公司引進(jìn)的ADS軟件，可以完成從開始到結(jié)束的整個信號通路的仿真以及從原理圖到PCB版圖的各個層次的仿真。利用ADS軟件中的無源電路設(shè)計指南工具，可以快速準(zhǔn)確地設(shè)計出高性能的并行耦合微帶帶通濾波器[3]。

傳輸線理論是從分布參數(shù)電路理論發(fā)展而來的，是一種用來引導(dǎo)電磁能量和信息傳輸?shù)难b置。傳輸線可以作為傳輸介質(zhì)，也可以用來 *** 各種類型的器件。傳輸線又叫長線，因?yàn)樗诳罩g某一方向的長度與其內(nèi)部電壓電流的波長相近，所以必須考慮它的參數(shù)分布特性。微波傳輸線是一種分布參數(shù)電路。線路上的電壓和電流是時間和空之間位置的二元函數(shù)，它們沿線路的變化可以用傳輸線方程[4]來描述。

微帶線是微波傳輸線的重要組成部分之一。其幾何結(jié)構(gòu)和場結(jié)構(gòu)分別如圖1(a)和圖1 (b)所示。它由寬度為W、厚度為T的中心導(dǎo)帶和金屬接地板組成。在導(dǎo)帶和接地板之間填充介電常數(shù)為εr的均勻電介質(zhì)。微帶線的幾何結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但其電場和磁場卻相當(dāng)復(fù)雜。微帶線上的傳輸不是嚴(yán)格的TEM波，而是準(zhǔn)TEM波。由于介質(zhì)基片的存在，場的能量主要集中在基片區(qū)域，其場分布與TEM波非常接近，故稱為準(zhǔn)TEM波[5]。

平行微帶濾波器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中每段線為半波長諧振器，每段線之間的縫隙為耦合元件，該縫隙的諧振邊可以實(shí)現(xiàn)寬帶耦合[6]。

2設(shè)計平行耦合微帶帶通濾波器。

帶通濾波器的設(shè)計基于低通濾波器的原型。從低通濾波器到帶通濾波器的頻率轉(zhuǎn)換公式如下(1):

根據(jù)得到的歸一化頻點(diǎn)ω和濾波器阻帶衰減指標(biāo)，確定帶通濾波器的級數(shù)，參考阻帶衰減指標(biāo)和帶內(nèi)紋波指標(biāo)，通過不同的設(shè)計方法，找出元件參數(shù)，最終得到奇模特性阻抗和偶模特性阻抗，計算公式如公式(2)所示:

其中包括:

最后可以得到微帶線的寬度w、長度l和間距s?；谶@些理論知識，建立了本文直接使用的ADS無源電路設(shè)計指導(dǎo)工具。該方法可以直接給出微帶帶通濾波器的模型，確定濾波器微帶線的數(shù)目和尺寸，簡單高效。

2.1過濾器的索引

本文設(shè)計的微帶帶通濾波器的指標(biāo)為:中心頻率為3.0 GHz，帶寬為60 MHz，帶內(nèi)衰減小于3 dB，端口反射系數(shù)小于-15 dB，在2.85 GHz和3.15 GHz頻率下阻帶衰減大于35 dB。無論是在原理圖設(shè)計過程中，還是在最終的PCB版圖仿真中，所有參數(shù)都要滿足設(shè)計的更低要求。在設(shè)計過程中，要考慮到設(shè)備的制造精度會影響微帶線的寬度W、間隙S和長度L。當(dāng)微帶寬度W的制造精度僅為1 mil時，制造的微帶寬度W與仿真的微帶寬度之間的誤差可能達(dá)到0.5 mil，因此實(shí)際電路中微帶寬度W的變化可能會影響濾波器的性能。此時需要在原理圖仿真和版圖仿真中反復(fù)優(yōu)化微調(diào)微帶寬度W、長度L、間距S，觀察尺寸稍有變化時濾波器的參數(shù)是否穩(wěn)定。只有所設(shè)計的微帶帶通濾波器穩(wěn)定可靠，才能投入實(shí)際使用。

2.2濾波器模型子電路的生成

在傳統(tǒng)的微帶濾波器設(shè)計方法中，通過查表計算濾波器的個數(shù)n，然后確定標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器的參數(shù)，計算傳輸線奇數(shù)模和偶數(shù)模的特性阻抗。最后用ADS工具[7]計算出濾波器微帶線的幾何尺寸。可以看出，傳統(tǒng)的微帶線濾波器設(shè)計方法是利用經(jīng)驗(yàn)公式查表等方法得到微帶線的相關(guān)參數(shù)。這個過程繁瑣，計算量相當(dāng)大，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確容易出錯。本文介紹的ADS中的無源電路設(shè)計指南工具可以解決這些問題。無源電路設(shè)計指南工具可以先確定帶通濾波器模型的大方向，生成帶通濾波器的子電路，然后不斷優(yōu)化。

在“無源電路設(shè)計指南”面板中選擇“微帶耦合線濾波器”作為帶通濾波器模型，一個微帶濾波器設(shè)備將出現(xiàn)在原理圖窗口中。在出現(xiàn)的窗口中設(shè)定帶通濾波器的各種參數(shù)。設(shè)置好參數(shù)后點(diǎn)擊設(shè)計向?qū)Т翱谥械脑O(shè)計按鈕，初步仿真結(jié)果如圖3所示。系統(tǒng)原理圖中會自動生成一個帶通濾波器的子電路，并根據(jù)設(shè)置的參數(shù)計算出濾波器級數(shù)、寬度W、槽S和微帶線長度L，如圖4所示。

從圖3可以看出，仿真結(jié)果與要求的設(shè)計參數(shù)相差很大，因?yàn)闊o源電路設(shè)計向?qū)Чぞ咧荒苌梢粋€大致方向的微帶帶通濾波器模型。這個模型建立后，可以根據(jù)需求在后續(xù)步驟中反復(fù)模擬優(yōu)化，達(dá)到設(shè)計目的。

從濾波器模型生成的子電路圖可以看出，濾波器的級數(shù)為5，各級微帶線的寬度W、槽S、長度L都已經(jīng)計算出來。與傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計方法相比，這種設(shè)計方法的周期大大縮短，而且計算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，不存在人工計算誤差的可能。

2.3原理圖模擬和優(yōu)化

放置和連接模擬器，微帶參數(shù)控制，優(yōu)化參數(shù)控制等。根據(jù)示意圖。連接后的原理圖如圖5所示。本文選用Rogers R04003C高頻電路板材料，由玻璃纖維增強(qiáng)碳?xì)?陶瓷基板(非聚四氟乙烯)組成[8]。它具有高頻性能好、生產(chǎn)成本低、電路板損耗低的特點(diǎn)，還具有許多普通電路板材料不具備的優(yōu)點(diǎn)，如介電常數(shù)和溫度系數(shù)低。選取的電路板材料參數(shù)如下:微帶線基片的相對介電常數(shù)εr為3.55，損耗角正切tan為0.002 7，微帶線基片的厚度h為0.508 mm，微帶線的磁導(dǎo)率mur為1。

在設(shè)定好介質(zhì)參數(shù)和掃描參數(shù)后，進(jìn)行連續(xù)的模擬和優(yōu)化。圖6(a)和(b)顯示了優(yōu)化的S11和S21參數(shù)。

實(shí)際上，原理圖的仿真結(jié)果是經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化后的理想結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出，通帶傳輸衰減在2.97~3.03 GHz小于5 dB，端口反射系數(shù)小于-30 dB，阻帶衰減在2.85 GHz和3.15 GHz大于35 dB。仿真結(jié)果基本滿足指標(biāo)要求，通帶傳輸?shù)乃p參數(shù)將在后續(xù)的版圖仿真中得到改善。

2.4PCB布局仿真和優(yōu)化

從優(yōu)化的濾波器電路原理圖生成PCB布局，如圖7所示。設(shè)置所需的微帶線和基板參數(shù)，增加濾波器的輸入輸出兩個端口，設(shè)置仿真參數(shù)后進(jìn)行仿真。在PCB布局仿真中，由于微帶線處于高頻狀態(tài)，整個電路會在空 [9]之間產(chǎn)生邊緣效應(yīng)和能量輻射，導(dǎo)致傳輸損耗較大，仿真結(jié)果不如原理圖中理想。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖8(a)和8 (b)所示。

從版圖仿真結(jié)果可以看出，2.97~3.03 GHz通帶傳輸衰減小于3 dB，端口反射系數(shù)小于-15 dB，2.85 GHz和3.15 GHz阻帶衰減大于35 dB。版圖仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求?？梢钥闯?，版圖仿真結(jié)果中端口的反射系數(shù)比原理圖中的要差。這是因?yàn)榘鎴D仿真中考慮了微帶基板的介電常數(shù)和損耗角正切，導(dǎo)致了傳輸線在傳輸過程中的介電損耗和能量損耗，但仿真結(jié)果完全滿足設(shè)計要求。

3結(jié)束語

本文利用ADS中的無源電路設(shè)計向?qū)Чぞ?，快速?zhǔn)確地設(shè)計平行耦合微帶帶通濾波器，大大提高了工作效率，縮短了設(shè)計周期，避免了人工計算出錯的可能?？紤]到目前設(shè)備制造精度的影響，本文在原理圖和版圖仿真中反復(fù)微調(diào)和優(yōu)化微帶線的尺寸，保證了所制造的微帶帶通濾波器的高可靠性，為后續(xù)不同類型濾波器的設(shè)計提供了很好的參考。

參考

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[2]張龍。多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)LC帶通濾波器的設(shè)計與 *** [D].南京:南京郵電大學(xué)，2013。

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關(guān)鍵詞： 通濾波器