微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件,。它的主要作用是抑制不需要的信號, 使其不能通過濾波器, 只讓需要的信號通過,。在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對電路的性能指標(biāo)有很大的影響,，因此如何設(shè)計出一個具有高性能的濾波器,，對設(shè)計微波電路系統(tǒng)具有很重要的意義。微帶電路具有體積小,，重量輕,、頻帶寬等諸多優(yōu)點，近年來在微波電路系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,，其中用微帶做濾波器是其主要應(yīng)用之一,，因此本節(jié)將重點研究如何設(shè)計并優(yōu)化微帶濾波器,。

1  微帶濾波器的原理

微帶濾波器當(dāng)中最基本的濾波器是微帶低通濾波器，而其它類型的濾波器可以通過低通濾波器的原型轉(zhuǎn)化過來,。最大平坦濾波器和切比雪夫濾波器是兩種常用的低通濾波器的原型,。微帶濾波器中最簡單的濾波器就是用開路并聯(lián)短截線或是短路串聯(lián)短截線來代替集總元器件的電容或是電感來實現(xiàn)濾波的功能。這類濾波器的帶寬較窄,，雖然不能滿足所有的應(yīng)用場合,，但是由于它設(shè)計簡單，因此在某些地方還是值得應(yīng)用的,。

2  濾波器的分類

最普通的濾波器的分類方法通?？煞譃榈屯ā⒏咄?、帶通及帶阻四種類型,。圖12.1給出了這四種濾波器的特性曲線。

        按濾波器的頻率響應(yīng)來劃分,，常見的有巴特沃斯型,、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及橢圓型等,；按濾波器的構(gòu)成元件來劃分,，則可分為有源型及無源型兩類；按濾波器的制作方法和材料可分為波導(dǎo)濾波器,、同軸線濾波器,、帶狀線濾波器、微帶濾波器,。

3 微帶濾波器的設(shè)計指標(biāo)

        微帶濾波器的設(shè)計指標(biāo)主要包括：

       1絕對衰減（Absolute attenuation）：阻帶中最大衰減（dB）,。 
       2帶寬（Bandwidth）：通帶的3dB帶寬（flow—fhigh）。
       3中心頻率：fc或f0,。
       4截止頻率,。下降沿3dB點頻率。
       5每倍頻程衰減（dB/Octave）：離開截止頻率一個倍頻程衰減（dB）,。 
       6微分時延（differential delay）：兩特定頻率點群時延之差以ns計,。 
       7群時延（Group delay）：任何離散信號經(jīng)過濾波器的時延（ns）。
       8插入損耗（insertion loss）：當(dāng)濾波器與設(shè)計要求的負(fù)載連接,，通帶中心衰減,，dB 
       9帶內(nèi)波紋（passband ripple）：在通帶內(nèi)幅度波動，以dB計,。
       10相移（phase shift）：當(dāng)信號經(jīng)過濾波器引起的相移,。 
       11品質(zhì)因數(shù)Q（quality factor）：中心頻率與3dB帶寬之比。 
       12反射損耗（Return loss） 
       13形狀系數(shù)（shape factor）：定義為,。 
       14止帶（stop band或reject band）：對于低通,、高通,、帶通濾波器，指衰減到指定點（如60dB點）的帶寬,。

        工程應(yīng)用中,，一般要求我們重點考慮通帶邊界頻率與通帶衰減、阻帶邊界頻率與阻帶衰減,、通帶的輸入電壓駐波比,、通帶內(nèi)相移與群時延、寄生通帶,。前兩項是描述衰減特性的,，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性能和種類(高通,、低通,、帶通、帶阻等),；輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大?。蝗簳r延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率,，定義為 dU/df ,，群時延為常數(shù)時，信號通過網(wǎng)絡(luò)才不會產(chǎn)生相位失真,；寄生通帶是由于分布參數(shù)傳輸線的周期性頻率特性引起的,，它是離設(shè)計通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計時要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶,。

4  微帶濾波器的設(shè)計

            本小節(jié)設(shè)計一個微帶低通濾波器,，濾波器的指標(biāo)如下：
                  通帶截止頻率：3GHz。
                  通帶增益：大于-5dB,，主要由濾波器的S21參數(shù)確定,。
                  阻帶增益：在4.5GHz以上小于-48dB，也主要由濾波器的S21參數(shù)確定,。
                  通帶反射系數(shù)：小于-22dB,，由濾波器的S11參數(shù)確定。
        在進(jìn)行設(shè)計時,，我們主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)。S21(S12)是傳輸參數(shù),，濾波器通帶,、阻帶的位置以及增益、衰減全都表現(xiàn)在S21(S12)隨頻率變化的曲線上,。S11(S22)參數(shù)是輸入,、輸出端口的反射系數(shù),，如果反射系數(shù)過大，就會導(dǎo)致反射損耗增大,，影響系統(tǒng)的前后級匹配,，使系統(tǒng)性能下降。

        了解了濾波器的設(shè)計原理以及設(shè)計指標(biāo)后,，下面開始設(shè)計微帶低通濾波器,。

        4.1建立工程

新建工程，選擇【File】→【New Project】,，系統(tǒng)出現(xiàn)新建工程對話框,。在name欄中輸入工程名：microstrip_filter，并在Project Technology Files欄中選擇ADS Standard：Length unit——millimet,，默認(rèn)單位為mm,，如圖12.2所示。單擊OK,，完成新建工程,，此時原理圖設(shè)計窗口會自動打開。

         4.2原理圖和電路參數(shù)設(shè)計

           工程文件創(chuàng)立完畢后,，下面介紹微帶低通濾波器的原理圖設(shè)計過程,。
              1）在原理圖設(shè)計窗口中選擇TLines-Microstrip元件面板列表，窗口左側(cè)的工具欄變?yōu)槿鐖D12.3所示,。并選擇6個MLIN,、5個MLOC、1個MSUB按照圖12-4所示的方式連接起來,。

            2）設(shè)置圖12-4中的控件MSUB微帶線參數(shù) 
            

              H:基板厚度(0.1 mm)
              Er:基板相對介電常數(shù)(2.16)
              Mur:磁導(dǎo)率(1) 
              Cond:金屬電導(dǎo)率(6.14E+7)
              Hu:封裝高度(1.0e+33 mm)
             T:金屬層厚度(0.001 mm)
             TanD:損耗角正切(1e-3)
              Roungh:表面粗糙度(0 mm)
             完成設(shè)置的MSUB控件如圖12.5所示,。

           3）濾波器兩端的引出線是50 Ohm的微帶線，它的寬度W可由微帶線計算工具算出,。選擇【Tools】→【LineCalc】→【Start LineCalc】命令,。在打開的窗口中輸入如圖12-6所示的內(nèi)容。

              在Substrate Parameters欄中填入與MSUB相同的微帶線參數(shù),。
             在Component Parameters欄中填入中心頻率（本例為3.0GHz）,。
             Physical欄中的W和L分別表示微帶線的寬和長。
             Electrical欄中的Z0和E_Eff分別表示微帶線的特性阻抗和相位延遲,，點擊Synthesize和Analyze欄中的和箭頭,，可以進(jìn)行W、L與Z0,、E_Eff間的相互換算,。本例中Z0為50Ohm，E_Eff為45deg,，W為0.31008mm,，L為9.18284mm,。另外打開的一個窗口顯示當(dāng)前運算狀態(tài)以及錯誤信息，如圖12.7所示,。

           4）雙擊兩邊的引出線TL1,、TL6，分別將其寬與長設(shè)為0.31006 mm和1.5 mm,。其余的微帶線長度設(shè)為9.18284,，寬度是濾波器設(shè)計和優(yōu)化的主要參數(shù)，因此要用變量代替,，便于后面修改和優(yōu)化,。微帶濾波器的結(jié)構(gòu)是對稱的，因此設(shè)置了W1,、W2,、W3、W4,、W5共5個變量,。

           雙擊每個微帶線設(shè)置參數(shù)，W分別設(shè)為相應(yīng)的變量,，單位mm,。在設(shè)置寬度的5個變量時，為了讓它們顯示在原理圖上,，要把Display parameter on schematic的選項勾上,。設(shè)置完變量的原理圖如圖12.8所示。

            5）由于原理圖中的MLIN和MLOC的寬度都是變量,，因此需要在原理圖中添加一個變量控件,。單擊工具欄上的VAR 圖標(biāo)，把變量控件VAR放置在原理圖上,，雙擊該圖標(biāo)彈出變量設(shè)置窗口,，依次添加各微帶線的W參數(shù)。

            在Name欄中填變量名稱,，Variable Value欄中填變量的初值,，點擊Add添加變量，然后單擊Tune/Opt/Stat/DOE Setup…按鈕設(shè)置變量的取值范圍,，其中的Enabled/Disabled表示該變量是否能被優(yōu)化,，Minimum Value表示可優(yōu)化的最小值Maximum Value表示可優(yōu)化的最大值，如圖12.9,，12.10所示,。

             微帶濾波器中微帶線的變量值及優(yōu)化范圍設(shè)置如下。
             W1=0.1679 opt{ 0.1 to2 }，表示W(wǎng)1的默認(rèn)值為0.1679,，變化范圍為0.1到2。
             W2=0.4772 opt{ 0.1 to 2 },，表示W(wǎng)2的默認(rèn)值為0.4772,，變化范圍為0.1到2。
             W3=0.5124 opt{ 0.1 to 2 },，表示W(wǎng)3的默認(rèn)值為0.5124,，變化范圍為0.1到2。
             W4=0.1269 opt{ 0.1 to 2 },，表示W(wǎng)4的默認(rèn)值為0.1269,，變化范圍為0.1到2。
             W5=0.1203 opt{ 0.1 to 2 },，表示W(wǎng)5的默認(rèn)值為0.1203,，變化范圍為0.1到2。
            這樣一個完整的微帶低通濾波器的電路就完成了,，如圖12.11所示,。

       4.3  S參數(shù)仿真設(shè)置和原理圖仿真

         上面已經(jīng)詳細(xì)的闡述了原理圖的設(shè)計以及電路參數(shù)的設(shè)置，下面介紹S參數(shù)仿真設(shè)置和原理圖仿真,。在執(zhí)行仿真之前,，先進(jìn)行S參數(shù)仿真設(shè)置。

1）S參數(shù)仿真設(shè)置

          在原理圖設(shè)計窗口中選擇S參數(shù)仿真工具欄,，Simulation-S_Param,。選擇Term放置在濾波器兩邊，用來定義端口1和2,，并放置兩個地,，按照圖12.12連接好電路。

          選擇S參數(shù)掃描控件放置在原理圖中,，并設(shè)置掃描的頻率范圍和步長,。雙擊S參數(shù)仿真控制器，參數(shù)設(shè)置如下,。
            Start=0 GHz,，表示頻率掃描的起始頻率為0 GHz。
            Stop=5 GHz,，表示頻率掃描的終止頻率為5 GHz,。
            Step=0.01 GHz，表示頻率掃描的頻率間隔為0.01 GHz,。 
          完成參數(shù)設(shè)置的S參數(shù)仿真控制器如圖12.13所示,。

調(diào)整電路原理圖和各種控件，最終得到的電路原理圖如圖12.14所示。

這樣就完成了微帶低通濾波器S參數(shù)的仿真設(shè)置,，下面開始對濾波器進(jìn)行仿真,。
2） 原理圖仿真
單擊工具欄上的simulate按鈕或是點擊simulate→simulate，當(dāng)仿真結(jié)束后,，系統(tǒng)會自動彈出一個數(shù)據(jù)顯示窗口,，在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個S21參數(shù)的矩形圖，再點擊maker→New,，可在圖中加一標(biāo)記,，如圖12.15所示。從圖中可以看出,，S21參數(shù)曲線是一個低通濾波器的形狀,，但是與設(shè)計指標(biāo)的要求還有一定的差距。以同樣的方式插入一個S11參數(shù)的矩形圖,，加上一個Marker點,，如圖12.16所示。從圖中可以看出,，S11在通帶內(nèi)基本滿足工程設(shè)計的要求,，但是還有待于進(jìn)一步改善，使端口的反射系數(shù)更小,。

通過仿真我們可以看出,，濾波器的參數(shù)指標(biāo)還不滿足要求，這就需要我們通過優(yōu)化仿真來使濾波器的參數(shù)滿足設(shè)計的要求,，下面就來介紹關(guān)于電路優(yōu)化方面的內(nèi)容,。

        4.4優(yōu)化電路參數(shù)

由于濾波器的參數(shù)并未達(dá)到指標(biāo)要求，因此需要優(yōu)化電路參數(shù),，使之達(dá)到設(shè)計要求,。優(yōu)化電路參數(shù)的具體步驟如下：

1) 在原理圖設(shè)計窗口中選擇優(yōu)化面板列表optim/stat/Yield/DOE,在列表中選擇優(yōu)化控件optim，雙擊該控件設(shè)置優(yōu)化方法和優(yōu)化次數(shù),，常用的優(yōu)化方法有Random(隨機(jī)),、Gradient(梯度)等。隨機(jī)法通常用于大范圍搜索,，梯度法則用于局部收斂,。設(shè)置完成的控件如圖12.17所示。

2）在優(yōu)化面板列表中選擇優(yōu)化目標(biāo)控件Goal放置在原理圖中,，雙擊該控件設(shè)置其參數(shù),，如圖12.18所示。

Expr是優(yōu)化目標(biāo)名稱,，其中dB(S(2,1))表示以dB為單位的S21參數(shù)的值,。

SimlnstanceName是仿真控件名稱,，這里選擇SP1

Min和Max是優(yōu)化目標(biāo)的最小與最大值。

Weight是指優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重,。

RangeVar[1]是優(yōu)化目標(biāo)所依賴的變量,，這里為頻率freq。

RangeMin[1]和RangeMax[1]是上述變量的變化范圍,。

這里總共設(shè)置了三個優(yōu)化目標(biāo),，前二個的優(yōu)化參數(shù)都是S21，用來設(shè)定濾波器的通帶和阻帶的頻率范圍及衰減情況,，最后一個的優(yōu)化參數(shù)是S11，用來設(shè)定通帶內(nèi)的反射系數(shù)(這里要求小于-25dB),，具體如圖12.19所示,。由于原理圖仿真和實際情況會有一定的偏差，在設(shè)定優(yōu)化參數(shù)時,，可以適當(dāng)增加通帶寬度,。對于其它的參數(shù)，也可以根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行一定的調(diào)整,。

3）設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后把原理圖存儲一下,，然后點擊工具欄中的Simulate按鈕開始進(jìn)行優(yōu)化仿真。在優(yōu)化過程中會打開一個狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化的結(jié)果(如圖12.20),，其中的CurrentEF表示與優(yōu)化目標(biāo)的偏差,，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標(biāo)，0表示達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo),，下面還列出了各優(yōu)化變量的值,，當(dāng)優(yōu)化結(jié)束時還會打開數(shù)據(jù)顯示窗口。在數(shù)據(jù)顯示窗口中我們可以觀察S11參數(shù)和S21參數(shù),，如圖12.21所示,。從圖中可以看出，濾波器的S11參數(shù)和S21參數(shù)滿足設(shè)計要求,。

需要注意的是在一次優(yōu)化完成后,，要點擊原理圖窗口菜單中的Simulate -> Update Optimization Values保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當(dāng)前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存,。
如果一次優(yōu)化不能滿足設(shè)計指標(biāo)要求,，根據(jù)情況需要對優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量的取值范圍,、優(yōu)化方法及次數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,，經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化后，當(dāng)CurrentEf的值為0,，即為優(yōu)化結(jié)束,。

4）優(yōu)化完成后必須關(guān)掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。點擊原理圖工具欄中的按鈕,，然后點擊優(yōu)化控件OPTIM,，則控件上打了紅叉表示已經(jīng)被關(guān)掉。要想使控件重新開啟,，只需點擊工具欄中的按鈕,，然后點擊要開啟的控件，則控件上的紅叉消失,，功能也重新恢復(fù)了,。對于原理圖上其他的部件，如果想使其關(guān)閉或開啟,，也可以采取同樣的方法,。

5）點擊工具欄中的Simulate按鈕進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后會出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示窗口,。在數(shù)據(jù)顯示窗口觀察濾波器的S11和S21曲線,，其結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果相同。

         4.5其他參數(shù)

在進(jìn)行原理圖仿真時,，還可以看到濾波器的群時延以及輸入的電壓駐波比等參數(shù),。雙擊S參數(shù)控件，在其設(shè)置窗口的Parameters選項卡中勾上Group delay選項,，就會在仿真時計算群時延,。把左側(cè)工具欄設(shè)為Simulation-S_param，并把VSWR控件放置在原理圖中,，即可計算輸入駐波比,。
要觀察這兩個參數(shù)的曲線，只需在仿真后出現(xiàn)的圖形顯示窗口中添加delay(2,1)及VSWR的曲線即可,。當(dāng)優(yōu)化完成后,，還可以把S參數(shù)仿真的頻率范圍加大，看看濾波器的寄生通帶出現(xiàn)在什么頻率上,。

        4.6 版圖的生成與仿真

原理圖的仿真是在完全理想的狀態(tài)下進(jìn)行的,，而實際電路板的制作往往和理論有較大的差距，這就需要我們考慮一些干擾,、耦合等外界因素的影響,。因此需要在ADS中進(jìn)一步對版圖仿真。

1） 版圖的生成

版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進(jìn)行計算,，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確,，但是它的計算比較復(fù)雜，需要較長的時間,，可作為對原理圖設(shè)計的驗證,。
①首先要由原理圖生成版圖,，生成版圖前先要把原理圖中用于S參數(shù)仿真的兩個Term以及接地去掉，不讓他們出現(xiàn)在生成的版圖中,。去掉的方法與前面關(guān)掉優(yōu)化控件的相同,，都是使用按鈕，把這些元件打上紅叉,。

②然后點擊菜單中的Layout -> Generate/Update Layout,，彈出一個設(shè)置窗口（如圖12.22），直接點OK,，又出現(xiàn)一個窗口（如圖12.23）,，再點OK，完成版圖的生成,，這時會打開一個顯示版圖的窗口,，里面有剛生成的版圖(如圖12.24) 。

③版圖生成后先要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)(即原理圖中MSUB里的參數(shù)),，點擊版圖窗口菜單中的Momentum -> Substrate -> Update From Schematic從原理圖中獲得這些參數(shù)，點擊Momentum -> Substrate -> Create/Modify可以修改這些參數(shù),。

④為了進(jìn)行S參數(shù)仿真,，需要在濾波器兩側(cè)添加兩個端口，點擊工具欄上的Port按鈕,，彈出port設(shè)置窗口,，點擊OK關(guān)閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別點擊添加上兩個port端口,。

2） 版圖的仿真

①點擊Momentum -> Simulation -> S-parameter彈出仿真設(shè)置窗口,，該窗口右側(cè)的Sweep Type選擇Adaptive，起止頻率設(shè)為與原理圖中相同,，采樣點數(shù)限制取10 (因為仿真很慢,，所以點數(shù)不要取得太多)。然后點擊Update按鈕,，將設(shè)置填入左側(cè)列表中,，點擊Simulate按鈕開始進(jìn)行仿真。仿真過程中會出現(xiàn)一個狀態(tài)窗口顯示仿真進(jìn)程,。

②仿真運算要進(jìn)行一段時間,，仿真結(jié)束后將出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示窗口，觀察S11和S21曲線,，性能有不同程度的惡化（如圖12.25）,，此處S11的值大概為-24dB，S21的值大概為-48dB,，基本達(dá)到了指標(biāo)要求,。

③如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標(biāo)要求,，那么要重新回到原理圖窗口進(jìn)行優(yōu)化仿真，產(chǎn)生這種情況的原因是微帶線的寬度取值不合適,，可以改變優(yōu)化變量的初值,，也可根據(jù)曲線與指標(biāo)的差別情況適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)，重新進(jìn)行優(yōu)化,。

④在返回原理圖重新優(yōu)化時,，要先使剛才打紅上叉的部件恢復(fù)有效，然后才能進(jìn)行優(yōu)化,，之后重復(fù)前面所述的過程,，直到版圖仿真的結(jié)果達(dá)到要求為止。

3） 版圖的制作

版圖的仿真完成后要根據(jù)結(jié)果用Protel軟件或是AutoCAD繪制電路版圖,，繪制版圖時要注意以下幾點,。

①所用電路板是普通的雙層板，上層用來繪制電路,，下層整個作為接地,。

②在繪制版圖時受加工工藝的限制，尺寸精度到0.01 mm即可,，線寬和縫隙寬度要大于0.2mm

③考慮到加工電路板時的側(cè)向腐蝕問題,，微帶線的寬度和長度要適當(dāng)增加。

④版圖的大小要符合規(guī)定尺寸,，以便于安裝在測試架上,。