低通滤波器设计
微波、毫米波系统课程设计
——低通滤波器的设计
一、设计背景
滤波器是一种把不同频率分开的元件,为了保留有用频段的信号而将无用频段的信号滤除,其本质是一种具有特定频率响应的元件。
四种基本类型的滤波器电路是:低通滤波电路、高通滤波电路、带通滤波电路、带阻滤波电路。
低通滤波器是一种能传输低频段信号、隔除高频段信号的元件,即对低频段信号的衰减小、对高频段信号的衰减大,可通过其S 参数中的S 21(传输系数)或插入损耗(IL (dB ) =-10lg S 21)反映出来。
低通滤波器可以按照不同的特性参数进行设计。巴特沃兹滤波电路具有衰减的单调性,并且可以在通带内获得最大的平坦度。巴特沃兹滤波电路的设计参数来源于二项式,可以获得最平滑的衰减特性,也被称为最大平滑滤波电路。契比雪夫滤波电路的衰减在通带外有单调性,而在通带内存在等幅波动。契比雪夫滤波电路的设计参数来源于契比雪夫多项式,可以调整参数限制通带内波纹的幅度,所以称为等波纹滤波电路。椭圆滤波电路的衰减在通带内和通带外都不具单调性,均会出现一定幅度的波动。椭圆滤波电路的设计参数来源于椭圆函数,设计过程较为复杂。
二、设计要求
用插入损耗法设计微带阶跃阻抗低通滤波器,要求实现最平坦响应特性。截止频率为2.5GHz ,在4GHz 处插损必须大于20dB ,滤波器阻抗50Ω。最高可实现阻抗120Ω,最低可实现阻抗20Ω。介质基片0.158cm ,介电常数4.2,铜导体厚度0.5mil 。
三、设计过程
1、选择网络结构
由于要求实现最平坦响应特性,因此优先选择理想的巴特沃兹低通滤波器,选择的L-C 网络结构如下所示:
2、确定阶数和g 值
根据条件截止频率为2.5GHz ,在4GHz 处插损大于20dB ,查图表知所需低通滤波器至少为6阶,再查表得到巴特沃兹低通滤波器的g1至g6的值:0.5176、1.4142、1.9318、1.9378、1.4142、0.5176 。
3、计算电长度
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Z h 、Z l ,则等效为串联电感和并联电容所需传输线的长度为:
βl =
LR s Z h CZ R s
l
βl =
其中,L 和C 是低通滤波器原型的元器件值,R s 是滤波器阻抗。
具体计算微带线电长度如下:
βl 1=
0. 5176⨯20
501. 4142⨯50120
1. 9318⨯20
501. 9318⨯50
1201. 4142⨯2050
0. 5176⨯50
120
⨯⨯⨯⨯⨯⨯180
π
180
=11. 9︒ =33. 8︒ =44. 3︒ =46. 1︒ =32. 4︒ =12. 4︒
βl 2=βl 3=
π
180
π
180
βl 41=βl 5=
π
180
π
180
βl 6=
π
4、确定微带线尺寸
利用ADS 微带线的计算工具完成对微带线的计算:
在【LineCalc
】的计算窗口中,设置好相应参数,进行计算,如图所示:
四、仿真、优化及分析
1、原理图仿真和优化
根据各微带线的尺寸,搭建低通滤波器的原理图,如下所示:
仿真结果如下:
从上图的S 21曲线可以看出:
在2.5GHz 处,S 21的值为-4.355dB ;在4GHz 处,S 21的值为-21.365dB 。即:在2.5GHz 处不满足技术指标,在4GHz 处满足技术指标。
由于S 21曲线不满足技术指标,需要调整原理图,对原理图进行优化,优化原理如下:
修改电路元器件的取值方式,将微带线的宽度和长度设置为变量,设置如下: TL1微带线设置为宽度W=w1 mm,L=l1 mm; TL2微带线设置为宽度W=w2 mm,L=l2 mm; TL3微带线设置为宽度W=w1 mm,L=l3 mm; TL4微带线设置为宽度W=w2 mm,L=l4 mm; TL5微带线设置为宽度W=w1 mm,L=l5 mm; TL6微带线设置为宽度W=w6 mm,L=l6 mm。
在【VAR 】中设置各变量的合适的取值范围,其中,由于最高可实现阻抗值120Ω对应的微带线宽度为0.40mm , 最低可实现阻抗值20Ω对应的微带线宽度为11.30mm ,因此w1的取值不能大于11.3mm ,w2的取值不能小于0.40mm 。
设置两个优化目标GOAL ,分别对应满足:2.5GHz 处的S 21值在-3dB 左右,这里设为[-3.02dB,-2.98dB];4GHz 处的S 21值小于-20dB, 这里设置最大值为-20dB 。
利用优化器件OPTIM ,进行优化,当找到最优化结果时,可显示S 21曲线,
显示各变量的取值。
优化后的原理图和仿真图如下所示:
从上图的S 21曲线可以看出:
在2.5GHz 处,S 21的值为-3dB ;在4GHz 处,S 21的值为-20.010dB 。即:在2.5GHz 处满足技术指标,在4GHz 处满足技术指标。
2、版图仿真
将优化后的原理图生成版图,如下所示:
版图仿真结果中的S
21曲线如下:
从上图的S 21曲线可以看出:
在2.497GHz 处,S 21的值为-6.917dB ;在4.010GHz 处,S 21的值为-27.931dB 。即:在2.5GHz 处不满足技术指标,在4GHz 处满足技术指标。
因此,该版图仿真出的S 21曲线不满足技术指标,需要继续调整原理图,对原理图再次进行优化。
3、再优化及版图仿真
由于上一次优化时在原理图仿真时满足条件:在2.5GHz 处的S 21值在-3dB 以内,而在版图仿真时则不能满足该条件。因此再次优化时可将优化目标中的该要求改进,如可要求达到2.5GHz 处的S 21值越接近0dB 越好。即设置两个优化目标GOAL ,分别对应满足:2.5GHz 处的S 21值越接近0dB 越好,这里设置最小值为0dB ;4GHz 处的S 21值小于-20dB, 这里设置最大值为-20dB 。
利用优化器件OPTIM ,进行优化,当找到最优化结果时,可显示S 21曲线,显示各变量的取值。
优化后的原理图和仿真图如下所示:
从上图的S 21曲线可以看出:
在2.5GHz 处,S 21的值为-0.608dB ;在4GHz 处,S 21的值为-20.006dB 。即:在2.5GHz 处满足技术指标,在4GHz 处满足技术指标。
将该再优化后的原理图生成版图,如下所示:
版图仿真结果中的S 21曲线如下:
从上图的S 21曲线可以看出:
在2.503GHz 处,S 21的值为-2.819dB ;在3.986GHz 处,S 21的值为-28.338dB 。即:在2.5GHz 处满足技术指标,在4GHz 处满足技术指标。
因此,该版图仿真出的S 21曲线满足技术指标,即所设计的满足要求的变量取值如下:
即最终所设计的满足要求的6阶低通滤波器的各微带线尺寸如下:
五、心得体会
本次课程设计要求用插入损耗法设计低通滤波器,通过计算、设计原理图、仿真、优化等过程,最后得到设计方案,基本满足技术指标。在设计之前,通过查阅资料,比以前更深入地了解了滤波器的基本原理,初步知道了要设计一个满足特定技术指标的低通滤波器,应如何入手,一步步设计出来并修正改善。 在设计期间,也遇到很多困难,发现不少问题。首先,对于ADS 软件,我们都是首次接触使用,在使用计算工具、搭建电路原理图、仿真、优化、生成版图等过程中易出现各种小问题,都需要细心解决。其次,在本次课程设计中用了两种仿真方式:原理图仿真和版图仿真,两者仿真出的结果差异较大,又因后者的仿真结果更加精确,为设计增加了难度,于是形成了“仿真—优化—仿真—再优化—仿真”的设计过程。又有,在优化时设置多少变量、选择怎样的取值范围、达到怎样的目标,都需要考虑,而在本次课程设计中,将微带线的所有尺寸都进行了优化,实际上并不一定需要优化所有的尺寸。由此也可以看出,用ADS 设计电路时的选择余地其实相当大,ADS 的实用性也很强。