实验四_微波射频带通滤波器设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,*,实验四,射频滤波器设计、仿真、制作与测试,一、滤波器原理,如图所示的双端口网络,设从一个端口输入一具有均匀功率谱的信号,信号通过网络后,在另一端口的负载上吸收的功率谱不再是均匀的,也就是说,网络具有频率选择性,这便是一个滤波器。,通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性：,Pin,和,PL,分别为输出端接匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率。,1.1,滤波器的概念,9/28/2024,2,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,低通,带阻,高通,带通,9/28/2024,3,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,三种滤波器函数,9/28/2024,4,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,1.2,滤波器的技术指标,（,1,）,工作频率：,滤波器的工作频率范围,（,2,）,插入损耗：,由于滤波器的介入,在系统内引入的损耗,（,3,）,带内纹波：,插入损耗的波动范围,（,4,）,带外抑制,:,规定滤波器在什么频率上会阻断信号,是滤波器特性的矩形度的一种描述方式。也可用带外滚降来描述,就是规定滤波器通带外每多少频率下降多少分贝。,（,5,）,承受功率：,在大功率发射机末端使用的滤波器要按大功率设计,元件体积要大,否则,会击穿打火,发射功率急剧下降。,9/28/2024,5,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,1.3,滤波器的设计的经典方法,低通原型综合法步骤：,（,1,）由衰减特性综合出低通原型,（,2,）再进行频率变换，变换成所设计的滤波器类型,（,3,）计算滤波器电路元件值,（,4,）微波结构实现电路元件，并用微波微波仿真软件进行优化仿真。,9/28/2024,6,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,1.4,滤波器的低通原型,滤波器低通原型为电感电容网络,其中元件数和元件值只与通带结束频率、 衰减和阻带起始频率、 衰减有关。设计中都采用表格而不用繁杂的计算公式。,巴特沃士、 切比雪夫的低通原型电路结构,9/28/2024,7,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,1.,巴特沃士：已知带边衰减为,3dB,处的归一化频率,c,=1,、截止衰减,L,As,和归一化截止频率,s,则元件数,n,由下式给出,元件值由下表给出。,9/28/2024,8,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,2.,切比雪夫，已知带内衰减与波纹指标,L,Ar,、归一化频率,c,=1,、截止衰减,L,As,和归一化截止频率,s,则元件数,n,由下式给出,元件值由下表给出。,9/28/2024,9,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,10,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,1.5,滤波器的四种频率变换,由低通原型滤波器经过频率变换,就可得到低通、 高通、带通、带阻四种实用滤波器。定义阻抗因子为,低通变换：,9/28/2024,11,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,高通变换：,带通变换：,9/28/2024,12,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,带阻变换：,9/28/2024,13,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,例：设计一个,L-C,切比雪夫型低通滤波器,截止频率为,75 MHz,衰减为,3 dB,波纹为,1dB,频率大于,100 MHz,衰减大于,20 dB,，,Z,0,=50,。,二、集总参数滤波器,（,1,）,确定指标,:,特性阻抗,Z,0,=50,截止频率,f,c,=75MHz,阻带边频,f,s,=100MHz,通带最大衰减,L,Ar,=3dB,阻带最小衰减,L,As,=20dB,。,（,2,）,计算元件级数,n,：,n,取最接近的整数,则,n=5,（,3,）,查表求原型元件值,gi,9/28/2024,14,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,低通变换：,（,4,）,计算实际元件值,9/28/2024,15,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,（,5,）,画出电路结构，进行电路仿真,9/28/2024,16,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,17,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,例,2,：设计一个,L-C,切比雪夫型带通滤波器,中心频率为,75 MHz, 3dB,带宽为,10MHz,波纹为,1dB,工作频带外,7515MHz,的衰减大于,30dB, Z0=50,。,（,1,）,确定指标,:,特性阻抗,Z,0,=50,截止频率,f,c,=75MHz,阻带边频,f,s,=100MHz,通带最大衰减,L,Ar,=3dB,阻带最小衰减,L,As,=20dB,。,特性阻抗：,Z0=50,上通带边频：,f,1,=75+5=80 MHz,下通带边频：,f,2,=75-5=70 MHz,上阻带边频：,f,=75+15=90 MHz,下阻带边频：,f,=75-15=60MHz,通带内最大衰减：,L,Ar,=3dB,阻带最小衰减 ：,L,As,=30dB,（,2,）,计算相关参数,9/28/2024,18,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,（,3,）,计算元件节数,n,n,取整数,3,（,4,）,查表得原型元件值,gi,（,5,）,带通变换,9/28/2024,19,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,（,6,）,画出电路，进行仿真,9/28/2024,20,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,21,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,三、分布参数滤波器,高 、 低阻抗线低通滤波器,枝节线低通滤波器,9/28/2024,22,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,七节切比雪夫滤波器,9/28/2024,23,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,三节端耦合微带带通滤波器,9/28/2024,24,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,平行耦合谐振单元带通滤波器,9/28/2024,25,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,发卡式带通滤波器,9/28/2024,26,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,同轴腔体低通滤波器,9/28/2024,27,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,多层左右手复合传输线滤波器,9/28/2024,28,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,例：设计一个三阶微带低通滤波器,截止频率,f,1=1GHz,通带波纹为,0.1dB,阻抗,Z0=50,。,（,1,）三节低通原型元件值为,g0=g4=1, g1=g3=1.0316, g2=1.1474,。,9/28/2024,29,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,（,2,）进行低通变换,（,3,） 微带实现，微带高低阻抗线。高阻抗线近似于电感,低阻抗线近似于电容。取高、低阻抗线的特性阻抗分别为,Z,0L,=93, Z,0C,=24,。 ,微带基板参数：,相对介电常数：,10.8,板材厚度：,1.27mm,用,ADS,微带线计算工具计算微带线的参数。,9/28/2024,30,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,高、 低阻抗线的物理长度可以由以下公式得到：,上式中没有考虑低阻抗线的串联电抗和高阻抗线的并联电纳。考虑这些因素的影响,高、低阻抗线的长度可调整为：,9/28/2024,31,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,（,4,）建模仿真,9/28/2024,32,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,33,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,作业：对下面结构的,微带枝节低通滤波器的两种设计进行原理图和版图仿真，并分析其特性。,考虑终端效应的终端开路微带分支线控件：,微带线控件：,9/28/2024,34,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,例：设计一平行耦合线带通滤波器，其设计指标为：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,。,9/28/2024,35,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,（,1,）打开,ADS,，建立工程,（,2,）生成原理图,在原理图设计窗口中选择微带电路的工具栏,9/28/2024,36,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,在工具栏中选择耦合线,Mcfil,、微带线,MLIN,以及控件,MSUB,分别放置在绘图区中，选择画线工具 将电路连接好,.,9/28/2024,37,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,（,3,）设置微带电路的基本参数,双击图上的控件,MSUB,设置微带线参数,H:,基板厚度,(0.8 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,(1e-4),Roungh,:,表面粗糙度,(0 mm),9/28/2024,38,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,（,4,）用微带线计算工具计算,50ohm,、四分之一波长微带宽度和长度,9/28/2024,39,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,（,5,）设置微带器件的参数,双击两边的引出线,TL1,、,TL2,，,分别将其宽与长设为,1.52 mm,和,2.5 mm(,其中线长只是暂定，以后制作版图时还会修改,),。,平行耦合线滤波器的结构是对称的，所以五个耦合线节中，第,1,、,5,及,2,、,4,节微带线长,L,、宽,W,和缝隙,S,的尺寸是相同的。耦合线的这些参数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。,双击每个耦合线节设置参数，,W,、,S,、,L,分别设为相应的变量，单位,mm,，,其中的,W1,与,W2,参数代表该器件左右相邻两侧的微带器件的线宽，它们用来确定器件间的位置关系。在设置,W1,、,W2,时，为了让它们显示在原理图上，要把,Display parameter on schematic,的选项勾上。,9/28/2024,40,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,41,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,42,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,（,6,）添加变量,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，依次添加各耦合线节的,W,，,L,，,S,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,Optimization/Statistics 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（见下页图）。,耦合线节的长,L,约为四分之一波长,(,根据中心频率用微带线计算工具算出,),，,微带线和缝隙的宽度最窄只能取,0.2 mm(,最好取,0.5 mm,以上,),。,9/28/2024,43,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,44,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,45,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,（,7,）,S,参数仿真电路设置,9/28/2024,46,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,（,7,）优化目标的设置,9/28/2024,47,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,优化方式控件,Optim,设置,OptimGoal1,设置,9/28/2024,48,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,OptimGoal2,设置,OptimGoal3,设置,9/28/2024,49,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,OptimGoal4,设置,9/28/2024,50,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,51,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,52,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,53,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,设置完优化目标后最好先把原理图存储一下，然后就可以进行参数优化了。,点击工具栏中的,Simulate,按钮就开始进行优化仿真了。在优化过程中会打开一个状态窗口显示优化的结果，其中的,CurrentEF,表示与优化目标的偏差，数值越小表示越接近优化目标，,0,表示达到了优化目标，下面还列出了各优化变量的值，当优化结束时还会打开图形显示窗口。,在一次优化完成后，要点击原理图窗口菜单中的,Simulate - Update Optimization Values,保存优化后的变量值,(,在,VAR,控件上可以看到变量的当前值,),，否则优化后的值将不保存。,经过数次优化后，,CurrentEF,的值为,0,，即为优化结束。优化过程中根据情况可能会对优化目标、优化变量的取值范围、优化方法及次数进行适当的调整。,（,7,）进行参数优化,9/28/2024,54,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,55,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,优化完成后必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。方法是点击原理图工具栏中的 按钮，然后点击优化控件,OPTIM,，,则控件上打了红叉表示已经被关掉。,点击工具栏中的,Simulate,按钮进行仿真，仿真结束后会出现图形显示窗口。,（,7,）观察仿真曲线,9/28/2024,56,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,57,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,（,8,）生成版图,9/28/2024,58,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,59,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,60,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,61,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,62,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,9/28/2024,63,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,作业：,设计一平行耦合线带通滤波器，其设计指标为：通带,2.4,2.5GHz,，,带内衰减小于,2dB,，,起伏小于,1dB,，,2.3GHz,以下及,2.7GHz,以上衰减大于,40dB,，,端口反射系数小于,-20dB,。,板材参数：,H:,基板厚度,(1.5 mm),，,Er,:,基板相对介电常数,(2.65),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,(0.035 mm),TanD,:,损耗角正切,(1e-4),，,Roungh,:,表面粗糙度,(0 mm),报告要求：,（,1,）简单叙述平行耦合线带通滤波器原理（自己查文献）；,（,2,）给出滤波器的原理图和版图；,（,3,）给出原理图和版图仿真结果，并对其结果进行分析。,9/28/2024,64,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,四、滤波器测试,4.1,相损测量,（,1,）复位，设置频率：,BF=1830MHz,F=2MHz,EF=1990MHz,。,（,2,）仪器按测插损连接，在仪器输入与输出口上各接一根短电缆。两电缆末端各接一只,10dB,衰减器，再用一个双阴连接起来。,（,3,）按执行键校直通。,（,4,）,拔下双阴，将两根电缆带衰减器的一端，分别接到滤波器的两端口上，屏幕即显频响曲线，可按键换档。记下各频点的插损和相位（,20,个频点并画出插损和相位曲线）,。,9/28/2024,65,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,4.2,驻波测量,（,1,）复位，设置频率：,BF=1830MHz,F=2MHz,EF=1990MHz,。,（,2,） 仪器按图测回损连接，电桥测试端口接上双阳连接器一只，即以双阳为新的测试端口，按执行键校开路。,（,3,）在双阳口上接上阴短路器，按执行键校短路。要求高时，可用阴负载进行校零。,（,4,） 拔下短路器，接上滤波器的输入插座，滤波器末端端接匹配负载。此时屏幕上已出现输入阻抗轨迹，看不清时可按键换档。,（,5,） 按菜单键，选驻波返回。看不清时可按键换档。记下驻波和回损数据（,20,个频点并画出驻波曲线）,输入,A,输入,B,输出,电桥,9/28/2024,66,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,Thank U!,?,9/28/2024,67,MW & Opti. Commu. Lab, XJTU,