ads滤波器仿真实验报告

一．滤波器的基本原理滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络，对通带内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。典型的频率响应包括低通、高通、带通和带阻特性。镜像参量法和插入损耗法是设计集总元件滤波器常用的方法。对于微波应用，这种设计通常必须变更到由传输线段组成的分布元件。Richard变换和Kuroda恒等关系提供了这个手段。在滤波器中，通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性，即𝐿𝐴=10lg𝑃𝑖𝑛𝑃𝐿𝑑𝐵；在该式中，Pin和PL分别为输出端匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率。为了描述衰减特性与频率的相关性，通常使用数学多项式逼近方法来描述滤波器特性，如巴特沃兹、切比雪夫、椭圆函数型、高斯多项式等。滤波器设计通常需要由衰减特性综合出滤波器低通原型，再将原型低通滤波器转换到要求设计的低通、高通、带通、带阻滤波器，最后用集总参数或分布参数元件实现所设计的滤波器。滤波器低通原型为电感电容网络。其中，元件数和元件参数只与通带结束频率、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。表1-1列出了巴特沃兹滤波器低通原型元件值。ng1g2g3g4g5g6g7g8g9g10g1112121.41421.41423121140.76541.84781.84780.7654150.6181.61821.6180.618160.51761.41421.93181.93181.41420.5176170.4450.2471.801921.80191.2470.445180.30021.11111.66291.96151.96151.66291.1110.3902190.347311.53211.879421.87941.532110.34731表1-1巴特沃兹滤波器低通原型元器件值实际设计中，首先需要确定滤波器的阶数，这通常由滤波器阻带某一频率处给定的插入损耗制约。图1-1所示为最平坦滤波器原型衰减与归一化频率的关系曲线。图1.1最大平坦滤波器原型的衰减与归一化频率的关系曲线二、S参量的描述高频S参量和T参量用于表征射频/微波频段二端口网络(或N端口网络)的特性。基于波的概念，它们为在射频/微波频段分析、测试二端口网络，提供了完整的描述。由于电磁场方程和大多数微波网络和微波元件的线性，散射波的幅值(即反射波和透射波的幅值)是与入射波的幅值呈线性关系的。描述该线性关系的矩阵称为“散射矩阵”或S矩阵。低频网络参量(如Z、Y矩阵等)是以各端口上的净(或总)电压和电流来定义的，而这些概念在射频/微波频段已不切实际，需重新寻找能描述波的叠加的参量来定义网络参量。为了表征一个在输入和输出端口具有相同特征阻抗Z0的二端口网络，考虑各端口上的入射波和反射波电压，如图1.2所示。二端口网络图1.2各端口具有入射波和反射波的二端口网络为了准确地定义S参量，我们规定二端口网络(i=1，2)各端口上的入射波电压相量和反射波电压相量分别为Vi+和Vi-，如图1-2所示。现在可定义用散射参量矩阵S来描述二端口网络各端口上的入射波电压相量矩阵Vi+与反射波电压及传输波电压相量矩阵Vi-之间的线性关系如下：V1-=S11V1++S12V2+V2-=S21V1++S22V2+或以矩阵的形式写成212221121121VVSSSSVV(1.1)其中21VVV21VVV22211211SSSSS(1.2)这个线性关系可用两个复相量的比值来描述，其比值的幅值小于等于1。S矩阵中的各元素定义为IN01111Γ2VVVS当输出端口接匹配负载时的输入端电压反射系数012212VVVS当输出端口接匹配负载时的正向电压传输系数021121VVVS当输入端口接匹配负载时的反向电压传输系数OUT02222Γ1VVVS当输入端口接匹配负载时的输出端电压反射系数上述定义的S参量用于射频/微波频段有许多优点，简述如下：(1)S参量给出了一个网络端口之外的完整特性描述。(2)S参量的描述没有使用在高频频段已失去意义的开路或短路(在低频频段所描述的)的概念。因为随频率变化的短路或开路的阻抗特性已不能用来描述射频/微波频段的器件特性。此外，电路中短路或开路情况的出现，将导致强烈的反射(因为LΓ=1)，即引起振荡或晶体管元件的损坏。(3)S参量要求在端口使用匹配负载，因匹配负载可吸收全部的入射功率，从而消除了过强的能量反射对设备或信源损伤的可能性。三．Smith圆图反射系数的公式为11ZZZ-ZΓ00NNZZ(1.3)其中jxrZZZN0为归一化阻抗，0Z为传输线的特性阻抗或某一参考阻抗。由式(1.3)可以通过数学方法获得Smith圆图,Smith圆图实为无源电路(即Re(Z)0)下的不同归一化电阻和电抗值所对应的反射系数Γ的轨迹，其等电阻值的轨迹是一组圆心位于水平轴(实轴)上的圆，而等电抗值的轨迹是一组圆心位于偏离垂直轴(虚轴)一个单位的直线上的圆。11ΓNNZZ(1.4)由式1.4Smith圆图是由函数所描述的r和x在Γ复平面上的轨迹。将Γ分离为实部(U)和虚部(V)，便可得jxrZNjVUjxrjxr11-Γ(1.5)2222)1(1xrxrU(1.6)22)1(2xrxV(1.7)根据式(1.6)和(1.7)可以得到两组圆，当它们彼此重叠在一起时便构成了一张完整的Smith圆图。这两组图的描绘过程叙述如下：(1).等r圆：从式(1.6)和(1.7)中消去x后便可得第一个圆所满足的方程为222111rVrrU（1.8）由方程(1.8)所描述的圆的圆心和半径分别为0,1r,00rVU（1.9a）1r1R（1.9b）由式(1.9a)和式(1.9b)：所有等r圆的圆心都位于实轴上，且圆的半径随r的增大而减小。其中，r=0的圆即为Smith圆图最外层的圆，而r=的圆缩为一点，位于(0，1)处。图1.3进一步描述了这个概念。(2).等x圆：从式(1.6)和式(1.7)中消去r后便可得到第二个圆所满足的方程为222111xxVU（1.10a）由方程(1.10a)所描述的圆的圆心和半径分别为x1，1,0'0'VU（1.10b）xR1'（1.10c）从式(1.10a)中可以看出：所有等x圆的圆心都位于平行于虚轴并向右平移一个单位的直线上，且圆的半径随x的增大而缩小。其中，x=0的圆为Smith圆图的实轴，而x=的圆缩小为一点，位于(1，0)处。将方程(1.8)和(1.10)所描述两组圆重叠在一起，便得到了由全部的(r，x)值所构成的一个圆图，这就是通常所称的Smith圆图，如图1.3所示。图1.3标准Smith圆图的结构(r0，x-)Smith圆图上每一点处的归一化阻抗ZN(其中r=Re(ZN)0)与反射系数Γ的值是一一对应的。圆图的上半平面对应于正电抗值(x0)的归一化区域，下半平面对应于负电抗值(x0)归一化区域。注：Smith圆图也可适用于归一化导纳YN的描述：jbgYYYN0(1.11a)其中001ZY，为传输线的特性导纳或某一参考导纳。因此可将式(1.4)写成11111111ΓNNNNNNYYYYZZ(1.11b)或改写成11Γ'NNYY(1.12)可见其形式与用阻抗描述时的一致，只是现将YN平面映射到'Γ平面内，其中eΓΓ-Γ。j180'(1.13)式(1.13)说明'Γ与Γ仅相位相差180o而幅值相同，这意味着在同意圆图中进行导纳与阻抗的换算时，仅相当于将其相位调整180o。因此，Smith圆图既可用做阻抗圆图(Zsmith圆图)，也可用做导纳圆图(Ysmith圆图)。使用Smith圆图需要注意和理解下列对应关系：ΓNZ'NΓYoj180'ΓeΓSmith圆图的魅力就在于：通过上述变换可将一个半无限、无界的区域(r0，x-)映射到一个有界的工作区域(1Γ0)内，这将使我们能以图解的方式很容易地理解许多复杂微波问题四.实验目标设计参数指标：高频截止频率：2.45GHz；通带内纹波系数小于2；4GHz处的插入损耗大于20dB；输入输出阻抗为50Ω；使用FR4PCB板。五．实验方案1.确定低通滤波器类型、阶数和拓朴结构为了满足实验目标的要求，第一步选择低通滤波器的类型，在ADS软件中的DesignGuide中选择Filter，点选S参数后连接仿真。点选FilterAssistant，输入实验目标的相关数据后，选择用椭圆滤波器类型，最低阶数可以为3阶。如下图1.4所示：图1.42.完成ADS集总参数原理图仿真在滤波器原理图界面下，点选工具栏中的，进入到滤波器元器件的子电路,得到图1.5所示。图1.53.完成分布参数微带原理图仿真将滤波器元器件的子电路经过Richards变换和Kuroda等效后，并且修改微带参数设置控件的相关参数，如下图1.6所示。图1.6(1).进行匹配微带线的计算，计算出50欧姆微带线的长和宽。(2).先将两端Port去掉，添加S参数仿真元器件，并设置图1.8(3).添加微带线，并将微带线的长和宽换为所计算的值，最后连接在一起。图1.94.仿真(1).进行电路原理图仿真和Kuroda等效后仿真图1.10图1.11(3).微带线仿真图1.12从微带线仿真S11图中可以观测到反射比较大，应当调谐，直到所有指标达到要求且反射比较小。(4).微带线调谐后的仿真图1.145.完成分布参数版图生成与仿真(1).版图生成图1.15(2).版图仿真图1.16观察仿真图像，符合实验指标要求。六．实物加工及测试1.做出的实物图如图1.17所示。图1.172.用矢量网络分析仪测试的结果如下图1.18所示。图1.18七．实验心得通过这次低通滤波器的设计、调试与制作，自己学到了很多知识，感谢老师、师兄和同学的指导与帮助，使我对制作滤波器的一套流程有了全面的了解。从ADS软件的使用到AltiumDesignerWinter09软件导出PCB，再用AltiumDesignerWinter09软件制作负片，最后进行实物加工和用矢量网络分析仪测试。同时，在做滤波器实验的期间，也发现了很多不明白的地方，要多向同学和师长提问。通过这一次做滤波器，能真正地将理论知识实践，锻炼动手能力，提升了自己在电路仿真设计的综合能力。