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电磁波与微波技术课程设计----带阻滤波器的设计与仿真课题：带阻滤波器的设计与仿真指导老师：姓名：学号：福建工程学院2目录1.设计要求·······················32.微带短截线带阻滤波器的理论基础············32.1理查德变换····················42.2科洛达规则····················63.设计步骤·······················73.1ADS简介·····················73.2初步设计过程···················83.3优化设计过程···················143.4对比结果·····················174.心得体会·······················175.参考文献·······················18福建工程学院31．课程设计要求：1.1设计题目：带阻滤波器的设计与仿真。1.2设计方式：分组课外利用ads软件进行设计。1.3设计时间：第一周至第十七周。1.4带阻滤波器中心频率：6GHz；相对带宽：9%；带内波纹：0.2dB。1.5滤波器阻带衰减25dB；在频率5.5GHz和6.5GHz处，衰减3dB；输入输出阻抗：50Ω。2．微带短截线带阻滤波器的理论基础当频率不高时，滤波器主要是由集总元件电感和电容构成，但当频率高于500Mz时，滤波器通常由分布参数元件构成，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件值小，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件；福建工程学院4其二是此时工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，滤波器元件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。我们这次设计采用短截线方法，将集总元件滤波器变换为分布参数滤波器，其中理查德变换用于将集总元件变换为传输段，科洛达规则可以将各滤波器元件分隔。2.1理查德变换通过理查德变换，可以将集总元件的电感和电容用一段终端短路和终端开路的传输线等效。终端短路和终端开路传输线的输入阻抗具有纯电抗性，利用传输线的这一特性，可以实现集总元件到分布参数元件的变换。在传输线理论中，终端短路传输线的输入阻抗为：错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。（1.0）式中错误!未找到引用源。当传输线的长度错误!未找到引用源。=时错误!未找到引用源。（1.1）将式（1.1）代入式（1.1），可以得到福建工程学院5错误!未找到引用源。（1.2）式中错误!未找到引用源。（1.3）称为归一化频率。终端短路的一段传输线可以等效为集总元件电感，等效关系为错误!未找到引用源。（1.4）式中S=j错误!未找到引用源。（1.5）称为理查德变换。同样，终端开路的一段传输线可以等效为集总元件的电容。终端开路传输线的输入导纳为错误!未找到引用源。（1.6）式中S=j为理查德变换。福建工程学院6前面将电感和电容用一段传输线等效时，传输线的长度选择为错误!未找到引用源。，这样的选择有个好处，因为点f=错误!未找到引用源。S=j错误!未找到引用源。=j1（1.7）这适合将集总元件低通滤波器原型转换为由传输线构成的低通滤波器，这时低通滤波器原型的电感值与终端短路传输线的归一化特性阻抗值相等，低通滤波器原型的电容值与终端开路传输线的归一化特性导纳值相等。当传输线的长度时，这种选择适合将集总元件低通滤波器原型转换为由传输线构成的带阻滤波器。所以我们在做设计时用的传输线的长度为错误!未找到引用源。。2.2科洛达规则科洛达规则是利用附加的传输线段，得到在实际上更容易实现的滤波器。利用科洛达规则既可以将串联短截线变换为并联短截线，又可以将短截线在物理上分开。附加的传输线段称为单位元件。3设计步骤福建工程学院73.1ADS简介ADS（AdvancedDesignSystem）电子设计自动化软件为美国AgilentTechnologies公司的产品，该软件的功能包含时域电路模拟（SPICE－likeSimulation）、频域电路模拟（HarmonicBalanceLinearAnalysis）、电磁模拟（EMSimulation）、通信系统模拟（CommunicationSystemSimulation）、数字信号处理设计（DSP）等。此外和多家芯片厂商合作建立ADSDesignKit及ModelFile供设计人员使用。使用者可以利用DesignKit及软件模拟功能进行通信系统的设计、规划与评估，以及MMIC／RFIC、类比与数位电路设计。除上述的设计模拟功能外，ADS也提供辅助设计功能，如DesignGuide是以范例及指令方式示范电路或系统的设计规划流程，而SimulationWizard是以步骤式界面进行电路设计与分析。ADS还能提供与其他设计模拟软件（如SPICE、MentorGraphics的ModelSim、Cadence的NC-Verilog、Mathworks的MATLAB等）做Co－Simulation，加上丰富的元件／应用模型库及量测／验证仪器间的连接功能，将增加电路与系统设计的方便性、速度与精确性。它提供优秀的频率模式和混合模式电路仿真器，可以模拟整个通信信号通路，完成从电路到系统的各级仿真。它把广泛的经过验证的射频、混合信号和电磁设计工具集成到一个灵活的环境中。ADS采用自顶至底的设计和自底至顶的验证方法，将系统设计和验证时间降到最少。它具有DSP、RF和EM协同仿真能力，从而能在系统级设计中高效率地分配和优化系统性能。完成系福建工程学院8统建模后，就可用实际RE和DSP电路设计替代行为模型，评估它们对性能的影响。当任何一级仿真结果不理想时，都必须回到原理图中重新进行优化，并再次进行仿真，直到仿真结果满意为止，这样可以保证实际电路与仿真电路的一致性。ADS可以为电路设计者提供进行模拟、射频与微波等电路和通信系统设计的仿真分析方法，其提供的仿真分析方法大致可以分为时域仿真、频域仿真、系统仿真和电磁仿真。3.2初步设计过程利用微带短截线带阻滤波器的理论基础，可以方便地设计出符合技术指标的微带短截线滤波器。下面我们用ADS设计并仿真微带短截线带阻滤波器的原理图，。微带短截线带阻滤波器的设计指标如下：中心频率：6GHz；相对带宽：9%；带内波纹：0.2dB。滤波器阻带衰减25dB；在频率5.5GHz和6.5GHz处，衰减3dB；输入输出阻抗：50Ω。3.2.1创建原理图启动ADS软件创建一名为Filter_Stubl的原理图。福建工程学院93.2.2利用ADS的工具tools完成对微带线的计算利用ADS提供的工具tools，可以进行微带线物理尺寸和电参数之间的数值计算，若给定微带线的特性阻抗和电长度，可以计算微带线的宽度。（1）设置微带线参数。在【MicrostripSubstrate】对话框中进行设置，设置好后在原理图中有：（2）在微带线元件面板上，选择一个微带线MLIN，插入原理图的画图区。（3）在画图区中选中微带线MLIN,再选择【tools】调出【LineCalc】福建工程学院10计算窗口。（4）在【LineCalc】计算窗口，设置：将频率Freq设置为6GHz将微带线的特性阻抗设置为70.7Ohm将微带线的长度相移设置为90度点击【Synthesize】按钮可计算出微带线的宽度W=1.458mm和微带线的长度L=8.457mm。（5）在【LineCalc】计算窗口，继续计算将频率Freq设置为6GHz将微带线的特性阻抗设置为50Ohm点击【Synthesize】按钮可计算出微带线的宽度W=2.647mm（6）在原理图画图区中，计算终端开路的微带线MLOC.（7）在【LineCalc】计算窗口，设置：将频率Freq设置为6GHz将微带线的特性阻抗设置为170.7Ohm将微带线的长度相移设置为90度福建工程学院11点击【Synthesize】按钮可计算出微带线的宽度W=0.093mm和微带线的长度L=9.133mm。（8）在【LineCalc】计算窗口，继续计算将频率Freq设置为6GHz将微带线的特性阻抗设置为60.4Ohm将微带线的长度相移设置为90度点击【Synthesize】按钮可计算出微带线的宽度W=1.940mm和微带线的长度L=8.455mm。（9）通过上述计算得到的数据，是微带短截线带阻滤波器的尺寸。3.2.3设计原理图（1）保留前面设置的微带线参数，删除原理图中的一个微带线MLIN。（2）在原理图的元件面板列表上，选择微带线【Tlines-Microstrip】元件面板上出现与微带线对应的元件图标。在微带线元件面板上，选择微带线MLIN，4次插入到原理图中，并做如下设置：福建工程学院12（3）在微带线元件面板选择微带线的T形结MTEE，3次插入到原理图中，并做如下设置：（4）在微带线元件面板，选择终端开路的微带线MLOC,3次插入原理图中，并做如下设置：（5）在S参数仿真元件面板上，选择负载终端Term，2次插入原理图中，并让两个负载均接地。福建工程学院13（6）应用连接工具，将MTEE,MLOC，Term和MLIN相连如下图：3.2.4原理图仿真（1）在S参数仿真元件面板上，选择S参数仿真控件SP,插入到原理图中，并设置如下：（2）对微带短截线带阻滤波器的原理图仿真。（3）数据显示，结果如下：福建工程学院14（4）对比设计指标发现此设计在多个方面存在不足，如：中心频率没有正好落在6GHz，M1和M2点的衰减又过大······3.3优化设计过程（1）由于3.2.4（3）图中曲线不满足技术指标，需要调整原理图，下面采用优化方法调整原理图。在优化仿真之前，先设置变量，然后再添加优化控件和目标控件。（2）修改S参数仿真控件中微带线段的取值方式，将微带线段导体带的宽度W设置为变量。再对原理图中TL2和TL3进行设置如下：TL2的导体宽度设置为W=x1mm福建工程学院15TL3的导体宽度设置为W=x1mm（3）设置T形结Tee1，Tee2，Tee3如下（单位mm）：Tee1设置为W1=2.647W2=x1W3=x2Tee2设置为W1=x1W2=x1W3=x3Tee3设置为W1=x1W2=x2.647W3=x2（4）设置终端开路的微带线MLOC如下：微带线TL5的宽度设置为W=x2mm微带线TL6的宽度设置为W=x3mm微带线TL7的宽度设置为W=x2mm（5）在原理图的工具栏，选择变量【var】按钮，插入原理图中，双击VAR，打开【VariablesandEquations】对话框，在对话框中分别对x1，x2，x3进行设置其结果如下：（6）在原理图的元件面板列表上，选择优化元件【Optim/Stat./yield/DOE】项，在优化的元件面板上，选择优化控件福建工程学院16Optim插入原理图的画图区，并选择目标控件Goal插入原理图的画图区，共4个。（7）双击Optim，打开【NominalOptimization】窗口，在其中设置优化控件，设置优化控件的步骤如下：选择随机Random优化方式优化次数400次，其余保持默认状态。（9）分别设置Goal1，Goal2，Goal3，Goal4控件，结果如下：（10）点击仿真【Simulate】图标，运行仿真，等仿真结束后，选【Simulate/UpdateOptimizationValues】命令，将优化后的值保存在原理图中。（11）数据结果显示：福建工程学院173.4对比结果查看优化后的曲线图可知：在5.5GHz处，错误!未找到引用源。在6GHz处，错误!未找到引用源。在6.6GHz处，错误!未找到引用源。这组数据比起优化前的要好的多了，以上数据满足了设计要求的技术指标。福建工程学院184心得体会这次课程设计总的来说不是特别容易，在课堂上虽然学了不少的理论知识，可当真正实践的时候就发现自己懂的太少了，这次的仿真软件完全是自学的，自己图书馆查资料，上网找资料，在查找和阅读中确实学到挺多知识，也对ADS的仿真过程以及带阻滤波器的原理