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

微帶濾波器的設(shè)計指標主要包括：

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,，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小,；群時延是指網(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。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,，把變量控件VAR放置在原理圖上,，雙擊該圖標彈出變量設(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)并未達到指標要求,，因此需要優(yōu)化電路參數(shù),，使之達到設(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)、Gradient(梯度)等,。隨機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)化目標的最小與最大值,。

Weight是指優(yōu)化目標的權(quán)重。

RangeVar[1]是優(yōu)化目標所依賴的變量，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，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)果進行一定的調(diào)整,。





3） 設(shè)置完優(yōu)化目標后把原理圖存儲一下,，然后點擊工具欄中的Simulate按鈕開始進行優(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)化目標的偏差,，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標，0表示達到了優(yōu)化目標,，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)計指標要求,，根據(jù)情況需要對優(yōu)化目標、優(yōu)化變量的取值范圍,、優(yōu)化方法及次數(shù)進行適當(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行計算,，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準確，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按鈕開始進行仿真。仿真過程中會出現(xiàn)一 個狀態(tài)窗口顯示仿真進程,。







②仿真運算要進行一段時間,，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,，基本達到了指標要求,。



③如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標要求，那么要重新回到原理圖窗口進行優(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)曲線與指標的差別情況適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化目標的參數(shù)，重新進行優(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。