微帶濾波器的設(shè)計優(yōu)化 - 全文

　　微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號, 使其不能通過濾波器, 只讓需要的信號通過。在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對電路的性能指標有很大的影響，因此如何設(shè)計出一個具有高性能的濾波器，對設(shè)計微波電路系統(tǒng)具有很重要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點，近年來在微波電路系統(tǒng)應用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應用之一，因此本節(jié)將重點研究如何設(shè)計并優(yōu)化微帶濾波器。

　　1 微帶濾波器的原理

　　微帶濾波器當中最基本的濾波器是微帶低通濾波器，而其它類型的濾波器可以通過低通濾波器的原型轉(zhuǎn)化過來。最大平坦濾波器和切比雪夫濾波器是兩種常用的低通濾波器的原型。微帶濾波器中最簡單的濾波器就是用開路并聯(lián)短截線或是短路串聯(lián)短截線來代替集總元器件的電容或是電感來實現(xiàn)濾波的功能。這類濾波器的帶寬較窄，雖然不能滿足所有的應用場合，但是由于它設(shè)計簡單，因此在某些地方還是值得應用的。

　　2 濾波器的分類

　　最普通的濾波器的分類方法通常可分為低通、高通、帶通及帶阻四種類型。圖12.1給出了這四種濾波器的特性曲線。

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　　按濾波器的頻率響應來劃分，常見的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及橢圓型等;按濾波器的構(gòu)成元件來劃分，則可分為有源型及無源型兩類;按濾波器的制作方法和材料可分為波導濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器。

　　3 微帶濾波器的設(shè)計指標

　　微帶濾波器的設(shè)計指標主要包括：

　　1絕對衰減(Absolute attenuation)：阻帶中最大衰減(dB)。

　　2帶寬(Bandwidth)：通帶的3dB帶寬(flow—fhigh)。

　　3中心頻率：fc或f0。

　　4截止頻率。下降沿3dB點頻率。

　　5每倍頻程衰減(dB/Octave)：離開截止頻率一個倍頻程衰減(dB)。

　　6微分時延(differential delay)：兩特定頻率點群時延之差以ns計。

　　7群時延(Group delay)：任何離散信號經(jīng)過濾波器的時延(ns)。

　　8插入損耗(insertion loss)：當濾波器與設(shè)計要求的負載連接，通帶中心衰減，dB

　　9帶內(nèi)波紋(passband ripple)：在通帶內(nèi)幅度波動，以dB計。

　　10相移(phase shift)：當信號經(jīng)過濾波器引起的相移。

　　11品質(zhì)因數(shù)Q(quality factor)：中心頻率與3dB帶寬之比。

　　12反射損耗(Return loss)

　　13形狀系數(shù)(shape factor)：定義為。

　　14止帶(stop band或reject band)：對于低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定點(如60dB點)的帶寬。

　　工程應用中，一般要求我們重點考慮通帶邊界頻率與通帶衰減、阻帶邊界頻率與阻帶衰減、通帶的輸入電壓駐波比、通帶內(nèi)相移與群時延、寄生通帶。前兩項是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標，決定了濾波器的性能和種類(高通、低通、帶通、帶阻等);輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小;群時延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為 dU/df ，群時延為常數(shù)時，信號通過網(wǎng)絡(luò)才不會產(chǎn)生相位失真;寄生通帶是由于分布參數(shù)傳輸線的周期性頻率特性引起的，它是離設(shè)計通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計時要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。

　　4 微帶濾波器的設(shè)計

　　本小節(jié)設(shè)計一個微帶低通濾波器，濾波器的指標如下：

　　通帶截止頻率：3GHz。

　　通帶增益：大于-5dB，主要由濾波器的S21參數(shù)確定。

　　阻帶增益：在4.5GHz以上小于-48dB，也主要由濾波器的S21參數(shù)確定。

　　通帶反射系數(shù)：小于-22dB，由濾波器的S11參數(shù)確定。

　　在進行設(shè)計時，我們主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標。S21(S12)是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及增益、衰減全都表現(xiàn)在S21(S12)隨頻率變化的曲線上。S11(S22)參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，如果反射系數(shù)過大，就會導致反射損耗增大，影響系統(tǒng)的前后級匹配，使系統(tǒng)性能下降。

　　了解了濾波器的設(shè)計原理以及設(shè)計指標后，下面開始設(shè)計微帶低通濾波器。

　　4.1建立工程

　　新建工程，選擇【File】→【New Project】，系統(tǒng)出現(xiàn)新建工程對話框。在name欄中輸入工程名：microstrip_filter，并在Project Technology Files欄中選擇ADS Standard：Length unit——millimet，默認單位為mm，如圖12.2所示。單擊OK，完成新建工程，此時原理圖設(shè)計窗口會自動打開。

　　4.2原理圖和電路參數(shù)設(shè)計

　　工程文件創(chuàng)立完畢后，下面介紹微帶低通濾波器的原理圖設(shè)計過程。

　　1)在原理圖設(shè)計窗口中選擇TLines-Microstrip元件面板列表，窗口左側(cè)的工具欄變?yōu)槿鐖D12.3所示。并選擇6個MLIN、5個MLOC、1個MSUB按照圖12-4所示的方式連接起來。

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　　2)設(shè)置圖12-4中的控件MSUB微帶線參數(shù)

　　H:基板厚度(0.1 mm)

　　Er:基板相對介電常數(shù)(2.16)

　　Mur:磁導率(1)

　　Cond:金屬電導率(6.14E+7)

　　Hu:封裝高度(1.0e+33 mm)

　　T:金屬層厚度(0.001 mm)

　　TanD:損耗角正切(1e-3)

　　Roungh:表面粗糙度(0 mm)

　　完成設(shè)置的MSUB控件如圖12.5所示。

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　　3)濾波器兩端的引出線是50 Ohm的微帶線，它的寬度W可由微帶線計算工具算出。選擇【Tools】→【LineCalc】→【Start LineCalc】命令。在打開的窗口中輸入如圖12-6所示的內(nèi)容。

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　　在Substrate Parameters欄中填入與MSUB相同的微帶線參數(shù)。

　　在Component Parameters欄中填入中心頻率(本例為3.0GHz)。

　　Physical欄中的W和L分別表示微帶線的寬和長。

　　Electrical欄中的Z0和E_Eff分別表示微帶線的特性阻抗和相位延遲，點擊Synthesize和Analyze欄中的和箭頭，可以進行W、L與Z0、E_Eff間的相互換算。本例中Z0為50Ohm，E_Eff為45deg，W為0.31008mm，L為9.18284mm。另外打開的一個窗口顯示當前運算狀態(tài)以及錯誤信息，如圖12.7所示。

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　　4)雙擊兩邊的引出線TL1、TL6，分別將其寬與長設(shè)為0.31006 mm和1.5 mm。其余的微帶線長度設(shè)為9.18284，寬度是濾波器設(shè)計和優(yōu)化的主要參數(shù)，因此要用變量代替，便于后面修改和優(yōu)化。微帶濾波器的結(jié)構(gòu)是對稱的，因此設(shè)置了W1、W2、W3、W4、W5共5個變量。

　　雙擊每個微帶線設(shè)置參數(shù)，W分別設(shè)為相應的變量，單位mm。在設(shè)置寬度的5個變量時，為了讓它們顯示在原理圖上，要把Display parameter on schematic的選項勾上。設(shè)置完變量的原理圖如圖12.8所示。

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　　5)由于原理圖中的MLIN和MLOC的寬度都是變量，因此需要在原理圖中添加一個變量控件。單擊工具欄上的VAR 圖標，把變量控件VAR放置在原理圖上，雙擊該圖標彈出變量設(shè)置窗口，依次添加各微帶線的W參數(shù)。

　　在Name欄中填變量名稱，Variable Value欄中填變量的初值，點擊Add添加變量，然后單擊Tune/Opt/Stat/DOE Setup…按鈕設(shè)置變量的取值范圍，其中的Enabled/Disabled表示該變量是否能被優(yōu)化，Minimum Value表示可優(yōu)化的最小值Maximum Value表示可優(yōu)化的最大值，如圖12.9，12.10所示。

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　　微帶濾波器中微帶線的變量值及優(yōu)化范圍設(shè)置如下。

　　W1=0.1679 opt{ 0.1 to2 }，表示W(wǎng)1的默認值為0.1679，變化范圍為0.1到2。

　　W2=0.4772 opt{ 0.1 to 2 }，表示W(wǎng)2的默認值為0.4772，變化范圍為0.1到2。

　　W3=0.5124 opt{ 0.1 to 2 }，表示W(wǎng)3的默認值為0.5124，變化范圍為0.1到2。

　　W4=0.1269 opt{ 0.1 to 2 }，表示W(wǎng)4的默認值為0.1269，變化范圍為0.1到2。

　　W5=0.1203 opt{ 0.1 to 2 }，表示W(wǎng)5的默認值為0.1203，變化范圍為0.1到2。

　　這樣一個完整的微帶低通濾波器的電路就完成了，如圖12.11所示。

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　　4.3 S參數(shù)仿真設(shè)置和原理圖仿真

　　上面已經(jīng)詳細的闡述了原理圖的設(shè)計以及電路參數(shù)的設(shè)置，下面介紹S參數(shù)仿真設(shè)置和原理圖仿真。在執(zhí)行仿真之前，先進行S參數(shù)仿真設(shè)置。

　　1)S參數(shù)仿真設(shè)置

　　在原理圖設(shè)計窗口中選擇S參數(shù)仿真工具欄，Simulation-S_Param。選擇Term放置在濾波器兩邊，用來定義端口1和2，并放置兩個地，按照圖12.12連接好電路。

　　選擇S參數(shù)掃描控件放置在原理圖中，并設(shè)置掃描的頻率范圍和步長。雙擊S參數(shù)仿真控制器，參數(shù)設(shè)置如下。

　　Start=0 GHz，表示頻率掃描的起始頻率為0 GHz。

　　Stop=5 GHz，表示頻率掃描的終止頻率為5 GHz。

　　Step=0.01 GHz，表示頻率掃描的頻率間隔為0.01 GHz。

　　完成參數(shù)設(shè)置的S參數(shù)仿真控制器如圖12.13所示。

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　　調(diào)整電路原理圖和各種控件，最終得到的電路原理圖如圖12.14所示。

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　　這樣就完成了微帶低通濾波器S參數(shù)的仿真設(shè)置，下面開始對濾波器進行仿真。

　　2) 原理圖仿真

　　單擊工具欄上的simulate按鈕或是點擊simulate→simulate，當仿真結(jié)束后，系統(tǒng)會自動彈出一個數(shù)據(jù)顯示窗口，在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個S21參數(shù)的矩形圖，再點擊maker→New，可在圖中加一標記，如圖12.15所示。從圖中可以看出，S21參數(shù)曲線是一個低通濾波器的形狀，但是與設(shè)計指標的要求還有一定的差距。以同樣的方式插入一個S11參數(shù)的矩形圖，加上一個Marker點，如圖12.16所示。從圖中可以看出，S11在通帶內(nèi)基本滿足工程設(shè)計的要求，但是還有待于進一步改善，使端口的反射系數(shù)更小。

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　　通過仿真我們可以看出，濾波器的參數(shù)指標還不滿足要求，這就需要我們通過優(yōu)化仿真來使濾波器的參數(shù)滿足設(shè)計的要求，下面就來介紹關(guān)于電路優(yōu)化方面的內(nèi)容。

　　4.4優(yōu)化電路參數(shù)

　　由于濾波器的參數(shù)并未達到指標要求，因此需要優(yōu)化電路參數(shù)，使之達到設(shè)計要求。優(yōu)化電路參數(shù)的具體步驟如下：

　　1) 在原理圖設(shè)計窗口中選擇優(yōu)化面板列表optim/stat/Yield/DOE,在列表中選擇優(yōu)化控件optim，雙擊該控件設(shè)置優(yōu)化方法和優(yōu)化次數(shù)，常用的優(yōu)化方法有Random(隨機)、Gradient(梯度)等。隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。設(shè)置完成的控件如圖12.17所示。

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　　2)在優(yōu)化面板列表中選擇優(yōu)化目標控件Goal放置在原理圖中，雙擊該控件設(shè)置其參數(shù)，如圖12.18所示。

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　　Expr是優(yōu)化目標名稱，其中dB(S(2,1))表示以dB為單位的S21參數(shù)的值。

　　SimlnstanceName是仿真控件名稱，這里選擇SP1

　　Min和Max是優(yōu)化目標的最小與最大值。

　　Weight是指優(yōu)化目標的權(quán)重。

　　RangeVar[1]是優(yōu)化目標所依賴的變量，這里為頻率freq。

　　RangeMin[1]和RangeMax[1]是上述變量的變化范圍。

　　這里總共設(shè)置了三個優(yōu)化目標，前二個的優(yōu)化參數(shù)都是S21，用來設(shè)定濾波器的通帶和阻帶的頻率范圍及衰減情況，最后一個的優(yōu)化參數(shù)是S11，用來設(shè)定通帶內(nèi)的反射系數(shù)(這里要求小于-25dB)，具體如圖12.19所示。由于原理圖仿真和實際情況會有一定的偏差，在設(shè)定優(yōu)化參數(shù)時，可以適當增加通帶寬度。對于其它的參數(shù)，也可以根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果進行一定的調(diào)整。

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　　3)設(shè)置完優(yōu)化目標后把原理圖存儲一下，然后點擊工具欄中的Simulate按鈕開始進行優(yōu)化仿真。在優(yōu)化過程中會打開一個狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化的結(jié)果(如圖12.20)，其中的CurrentEF表示與優(yōu)化目標的偏差，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標，0表示達到了優(yōu)化目標，下面還列出了各優(yōu)化變量的值，當優(yōu)化結(jié)束時還會打開數(shù)據(jù)顯示窗口。在數(shù)據(jù)顯示窗口中我們可以觀察S11參數(shù)和S21參數(shù)，如圖12.21所示。從圖中可以看出，濾波器的S11參數(shù)和S21參數(shù)滿足設(shè)計要求。

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　　需要注意的是在一次優(yōu)化完成后，要點擊原理圖窗口菜單中的Simulate -> Update Optimization Values保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存。

　　如果一次優(yōu)化不能滿足設(shè)計指標要求，根據(jù)情況需要對優(yōu)化目標、優(yōu)化變量的取值范圍、優(yōu)化方法及次數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整，經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化后，當CurrentEf的值為0，即為優(yōu)化結(jié)束。

　　4)優(yōu)化完成后必須關(guān)掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。點擊原理圖工具欄中的按鈕，然后點擊優(yōu)化控件OPTIM，則控件上打了紅叉表示已經(jīng)被關(guān)掉。要想使控件重新開啟，只需點擊工具欄中的按鈕，然后點擊要開啟的控件，則控件上的紅叉消失，功能也重新恢復了。對于原理圖上其他的部件，如果想使其關(guān)閉或開啟，也可以采取同樣的方法。

　　5)點擊工具欄中的Simulate按鈕進行仿真，仿真結(jié)束后會出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示窗口。在數(shù)據(jù)顯示窗口觀察濾波器的S11和S21曲線，其結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果相同。

　　4.5其他參數(shù)

　　在進行原理圖仿真時，還可以看到濾波器的群時延以及輸入的電壓駐波比等參數(shù)。雙擊S參數(shù)控件，在其設(shè)置窗口的Parameters選項卡中勾上Group delay選項，就會在仿真時計算群時延。把左側(cè)工具欄設(shè)為Simulation-S_param，并把VSWR控件放置在原理圖中，即可計算輸入駐波比。

　　要觀察這兩個參數(shù)的曲線，只需在仿真后出現(xiàn)的圖形顯示窗口中添加delay(2,1)及VSWR的曲線即可。當優(yōu)化完成后，還可以把S參數(shù)仿真的頻率范圍加大，看看濾波器的寄生通帶出現(xiàn)在什么頻率上。

　　4.6 版圖的生成與仿真

　　原理圖的仿真是在完全理想的狀態(tài)下進行的，而實際電路板的制作往往和理論有較大的差距，這就需要我們考慮一些干擾、耦合等外界因素的影響。因此需要在ADS中進一步對版圖仿真。

　　1) 版圖的生成

　　版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準確，但是它的計算比較復雜，需要較長的時間，可作為對原理圖設(shè)計的驗證。

　　①首先要由原理圖生成版圖，生成版圖前先要把原理圖中用于S參數(shù)仿真的兩個Term以及接地去掉，不讓他們出現(xiàn)在生成的版圖中。去掉的方法與前面關(guān)掉優(yōu)化控件的相同，都是使用按鈕，把這些元件打上紅叉。

　?、谌缓簏c擊菜單中的Layout -> Generate/Update Layout，彈出一個設(shè)置窗口(如圖12.22)，直接點OK，又出現(xiàn)一個窗口(如圖12.23)，再點OK，完成版圖的生成，這時會打開一個顯示版圖的窗口，里面有剛生成的版圖(如圖12.24) 。

　?、郯鎴D生成后先要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)(即原理圖中MSUB里的參數(shù))，點擊版圖窗口菜單中的Momentum -> Substrate -> Update From Schematic從原理圖中獲得這些參數(shù)，點擊Momentum -> Substrate -> Create/Modify可以修改這些參數(shù)。

　?、転榱诉M行S參數(shù)仿真，需要在濾波器兩側(cè)添加兩個端口，點擊工具欄上的Port按鈕，彈出port設(shè)置窗口，點擊OK關(guān)閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別點擊添加上兩個port端口。

　　2) 版圖的仿真

　?、冱c擊Momentum -> Simulation -> S-parameter彈出仿真設(shè)置窗口，該窗口右側(cè)的Sweep Type選擇Adaptive，起止頻率設(shè)為與原理圖中相同，采樣點數(shù)限制取10 (因為仿真很慢，所以點數(shù)不要取得太多)。然后點擊Update按鈕，將設(shè)置填入左側(cè)列表中，點擊Simulate按鈕開始進行仿真。仿真過程中會出現(xiàn)一個狀態(tài)窗口顯示仿真進程。

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　?、诜抡孢\算要進行一段時間，仿真結(jié)束后將出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示窗口，觀察S11和S21曲線，性能有不同程度的惡化(如圖12.25)，此處S11的值大概為-24dB，S21的值大概為-48dB，基本達到了指標要求。

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　?、廴绻鎴D仿真得到的曲線不滿足指標要求，那么要重新回到原理圖窗口進行優(yōu)化仿真，產(chǎn)生這種情況的原因是微帶線的寬度取值不合適，可以改變優(yōu)化變量的初值，也可根據(jù)曲線與指標的差別情況適當調(diào)整優(yōu)化目標的參數(shù)，重新進行優(yōu)化。

　　④在返回原理圖重新優(yōu)化時，要先使剛才打紅上叉的部件恢復有效，然后才能進行優(yōu)化，之后重復前面所述的過程，直到版圖仿真的結(jié)果達到要求為止。

　　3) 版圖的制作

　　版圖的仿真完成后要根據(jù)結(jié)果用Protel軟件或是AutoCAD繪制電路版圖，繪制版圖時要注意以下幾點。

　?、偎秒娐钒迨瞧胀ǖ碾p層板，上層用來繪制電路，下層整個作為接地。

　?、谠诶L制版圖時受加工工藝的限制，尺寸精度到0.01 mm即可，線寬和縫隙寬度要大于0.2mm

　　③考慮到加工電路板時的側(cè)向腐蝕問題，微帶線的寬度和長度要適當增加。

　　④版圖的大小要符合規(guī)定尺寸，以便于安裝在測試架上。