分布参数低通滤波器的仿真

第11章分布参数低通滤波器的仿真当频率不高时，集总元器件滤波器工作良好，但当频率达到或接近GHz时，滤波器通常由分布参数元器件构成，这是由于两个原因造成的，其一是频率高时电感和电容应选的元器件值过小，由于寄生参数的影响，如此小的电感和电容已经不能再使用集总参数元器件；其二是此时工作波长与滤波器元器件的物理尺寸相近，滤波器元器件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。本章讨论由分布参数构成的低通滤波器，分布参数低通滤波器可以由阶梯阻抗低通滤波器或短截线低通滤波器实现，本章主要介绍利用ADS软件设计分布参数低通滤波器的方法。本章将首先给出分布参数低通滤波器的理论基础，然后讨论如何利用ADS软件设计、仿真、调谐与优化分布参数低通滤波器，针对微带线阶梯阻抗低通滤波器和短截线低通滤波器，本章将完成符合技术指标的滤波器原理图和布局图。11.1微带阶梯阻抗低通滤波器的仿真阶梯阻抗低通滤波器也称为高低阻抗低通滤波器，它是一种结构简洁的电路，其由很高和很低特性阻抗的传输线段交替排列而成，结构紧凑，便于设计和实现。本节将给出符合技术指标的微带线阶梯阻抗低通滤波器原理图，并由原理图给出阶梯阻抗低通滤波器版图。11.1.1微带阶梯阻抗低通滤波器的理论基础1．短传输线段的近似等效电路阶梯阻抗低通滤波器是由特性阻抗很高或很低的短传输线段构成，短传输线段的近似等效电路需要讨论。一段特性阻抗为、长度为的传输线的Z矩阵为一段传输线的网络参量与集总元器件T形网络的网络参量有等效关系，集总元器件T形网络的构成如图11.1所示。集总元器件T形网络的Z矩阵为假定集总元器件T形网络由电感和电容构成，如图11.2（a）所示，若假定传输线有大的特性阻抗和短的长度（），一段短传输线与集总元器件T形网络的等效关系为若假定传输线有小的特性阻抗和短的长度（），一段短传输线与集总元器件T形网络的等效关系为2Zi11Zi23Z_++_1V2V从前面的讨论可以知道，一段特性阻抗很高的传输线可以等效为串联电感，如图11.2（b）所示，而且传输线的特性阻抗越高所需的传输线长度越短；一段特性阻抗很低的传输线可以等效为并联电容，如图11.2（c）所示，而且传输线的特性阻抗越低所需的传输线长度也越短。正是因为上面的原因，等效为电感的传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最大值，等效为电容的传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最小值。设传输线能做到的特性阻抗的最大值和最小值分别为Zh和Zl，等效为串联电感和并联电容所需传输线的长度为式（11.7）和（11.8）中，和是低通滤波器原型的元器件值，RS是滤波器阻抗。2．阶梯阻抗低通滤波器的设计下面设计微带线阶梯阻抗低通滤波器，设计的详细过程可以参阅人民邮电出版社出版的《射频电路理论与设计》。要求截止频率为3GHz，通带内波纹为0.5dB，在6GHz处具有不小于30dB的衰减，系统阻抗为50Ω。选微带线特性阻抗最大值=120Ω，特性阻抗最小值=15Ω。设计微带线阶梯阻抗低通滤波器的步骤如下。（1）根据波纹为0.5dB切比雪夫滤波器衰减随频率的对应关系，滤波器需为5阶，对应的切比雪夫低通滤波器原型元器件值为（2）利用式（11.7）和（11.8）计算可以得到（3）低通滤波器电路的示意图如图11.3所示，其中图11.3（a）为由低通滤波器原型元器件值构成的低通滤波器，图11.3（b）为微带线阶梯阻抗低通滤波器。11.1.2微带阶梯阻抗低通滤波器原理图的仿真（1）由上面微带线阶梯阻抗低通滤波器的理论基础，我们得到了微带线阶梯阻抗低通滤波器的电路基本结构，本节学习如何利用ADS微带线的计算工具完成微带线的计算，以及如何设计并仿真微带线阶梯阻抗低通滤波器的原理图。微带线阶梯阻抗低通滤波器的设计指标如下。滤波器响应为低通滤波器。滤波器通带频率范围为0GHz到3GHz。通带内衰减小于1dB。在6GHz时衰减大于30dB。系统特性阻抗选为50Ω。设计滤波器时，选微带线特性阻抗的最大值为120Ω。设计滤波器时，选微带线特性阻抗的最小值为15Ω。微带线基板的厚度选为1mm，基板的相对介电常数选为2.7。1．创建项目下面将创建一个分布参数低通滤波器项目，本章所有的设计都将保存在这个项目之中。创建项目的步骤如下。（1）启动ADS软件，弹出主视窗。（2）选择主视窗中【File】菜单→【NewProject】，弹出【NewProject】对话框，在【NewProject】对话框中，输入项目名称和这个项目默认的长度单位，这里项目名称定为MicrostripFilter_Lowpass，默认的长度单位选为millimeter。（3）【NewProject】对话框如图11.4所示，单击【NewProject】对话框中的【OK】按钮，完成创建分布参数低通滤波器项目。2．创建原理图在MicrostripFilter_Lowpass项目中创建一个阶梯阻抗低通滤波器的原理图，这个原理图命名为Filter_SteppedImpedance1。创建原理图的方法很多，这里创建新原理图的步骤如下。（1）在主视窗中选择【File】菜单→【NewDesign】，弹出【NewDesign】对话框，在【NewDesign】对话框中，输入新建的原理图名称Filter_SteppedImpedance1，并选择对话框【CreateNewDesignin】项中的NewSchematicWindow（新建原理图视窗），以及选择【SchematicDesignTemplates】（原理图设计模板）项中的none，【NewDesign】对话框如图11.5所示。（2）单击【NewDesign】对话框中的【OK】按钮，完成创建原理图，新建的原理图Filter_SteppedImpedance1自动打开。3．利用ADS微带线的计算工具完成对微带线的计算原理图设计中提供了多种计算工具，使用者可以利用计算工具提供的图形化界面进行设计。ADS软件中的工具tools，可以对不同类型的传输线进行计算，对于微带线来说，可以进行物理尺寸和电参数之间的数值计算，例如，若给定微带线的特性阻抗，可以计算微带线的宽度。下面利用ADS软件提供的计算工具，完成对微带线的计算。（1）在原理图Filter_SteppedImpedance1上，选择【tools】菜单→【LineCalc】→【StartLineCalc】命令，弹出【LineCalc】计算窗口，【LineCalc】计算窗口如图11.6所示。11.1.2微带阶梯阻抗低通滤波器原理图的仿真（2）图11.6是【LineCalc】计算窗口的初始状态，在图11.6中各参量的含义如下。Type为需要计算的传输线类型，有多种传输线类型供选择，默认的传输线类型为微带线。SubstrateParameters表示传输线的基层参数，传输线有多种基层参数需要确定。Er表示微带线基板的相对介电常数。Mur表示微带线基板的相对磁导率。H表示微带线基板的厚度。Hu表示微带线的封装高度。T表示微带线的导体层厚度。Cond表示微带线导体的电导率。TanD表示微带线中介质层的损耗角正切。Rough表示微带线表面的粗糙度。Freq表示在进行计算时采用的中心频率。Physical表示传输线的物理结构，微带传输线的物理结构包括中心导带的宽带和长度。W表示微带传输线中心导带的宽带。L表示微带传输线中心导带的长度。Electrical表示传输线的电指标，微带传输线的电指标包括特性阻抗和相移。Z0表示计算时微带线特性阻抗的值。E_Eff表示计算时微带线的相移。Synthesize表示由微带线的电指标参数计算微带线的物理尺寸。Analyze表示由微带线的物理尺寸计算微带线的电指标参数。（2）在【LineCalc】计算窗口，在已知传输线的特性阻抗和相移的前提下，计算微带线的宽度和长度。在【LineCalc】计算窗口选择如下。Type选择为MLIN，意为计算微带线。Er=2.7，表示微带线基板的相对介电常数为2.7。Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。H=1mm，表示微带线基板的厚度为1mm。Hu=1.0e+033mm，表示微带线的封装高度为1.0e+033mm。T=0.05mm，表示微带线的导体层厚度为0.05mm。Cond=5.8E+7，表示微带线导体的电导率为5.8E+7。TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为0.0003。Rough=0mm，表示微带线表面粗糙度为0mm。Freq=3GHz，表示计算时采用频率3GHz。Z0=15Ohm，表示计算时特性阻抗采用15Ω。E_Eff=29.3deg，表示计算时微带线的长度时，采用29.3°相移。上述设置完成后，单击【LineCalc】计算窗口中的Synthesize按钮，在【LineCalc】窗口中显示出计算结果如下。W=12.86mm，表示微带线的宽度为12.86mm。L=5.15mm，表示微带线的长度为5.15mm。这时的【LineCalc】计算窗口如图11.7所示。（3）继续使用【LineCalc】计算窗口进行计算，需要计算的数据如下。特性阻抗为120Ω，相移为29.4°时微带线的宽度和长度。特性阻抗为15Ω，相移为43.7°时微带线的宽度和长度。特性阻抗为50Ω时，微带线的宽度。通过上述计算得到的数据，是微带线阶梯阻抗低通滤波器的尺寸，滤波器的阶数为5阶，滤波器由5段传输线段构成。由上述计算得到的微带线的宽度和长度列表如下。11.1.2微带阶梯阻抗低通滤波器原理图的仿真（3）表11.1计算微带线的尺寸4．设计原理图在Filter_SteppedImpedance1原理图上，根据图11.3搭建阶梯阻抗低通滤波器原理图电路，低通滤波器使用微带线搭建。（1）在原理图的元器件面板列表上，选择微带线【TLines-Microstrip】，元器件面板上出现与微带线对应的元器件图标，如图11.8所示。（2）在微带线元器件面板上选择MLIN，5次插入到原理图的画图区，MLIN是一段长度的微带线，可以设置这段微带线的宽度W和长度L。分别双击画图区的5个MLIN，将5个MLIN的数值分别设置如下。TL1微带线设置为宽度W=12.86mm，长度L=5.15mm。节等效的元器件特性阻抗相移微带线的宽度微带线的长度1并联电容1529.3°12.86mm5.15mm2串联电感12029.4°0.40mm5.81mm3并联电容1543.7°12.86mm7.68mm4串联电感12029.4°0.40mm5.81mm5并联电容1529.3°12.86mm5.15mm系统阻抗502.63mmTL2微带线设置为宽度W=0.40mm，长度L=5.81mm。TL3微带线设置为宽度W=12.86mm，长度L=7.68mm。TL4微带线设置为宽度W=0.40mm，长度L=5.81mm。TL5微带线设置为宽度W=12.86mm，长度L=5.15mm。（3）在微带线元器件面板上选择MSTEP，6次插入到原理图的画图区，MSTEP是微带线阶梯结，可以设置微带线阶梯结的宽度W1和宽度W2。分别双击画图区的6个MSTEP，将6个MSTEP的数值分别设置如下。MSTEP1微带线阶梯结设置为宽度W1=2.63mm，宽度W2=12.86mm。MSTEP2微带线阶梯结设置为宽度W1=12.86mm，宽度W2=0.40mm。MSTEP3微带线阶梯结设置为宽度W1=0.40mm，宽度W2=12.86mm。MSTEP4微带线阶梯结设置为宽度W1=12.86mm，宽度W2=0.40mm。MSTEP5微带线阶梯结设置为宽度W1=0.40mm，宽度W2=12.86mm。MSTEP6微带线阶梯结设置为宽度W1=12.86mm，宽度W2=2.63mm。（4）单击工具栏中的按钮，将前面原理图中的5个MLIN和6个MSTEP用导线连接起来，连接方式如图11.9所示。11.1.2微带阶梯阻抗低通滤波器原理图的仿真（4）（5）在图11.8所示的微带线元器件面板上，选择MSUB插入到原理图的画图区。在画图区中双击MSub，弹出【Micro