集总参数带通滤波器

课 程 设 计Ⅳ 报 告 题      目  集总参数带通滤波器的设计 所在院（系） 学生姓名学号 指导教师 完成地点 年月日 基于ADS的集总参数带通滤波器的设计 摘要：滤波器在通信系统中应用较为广泛，利用滤波器的选频作用，可以滤除通信中的干扰噪声或测试中进行频谱分析。本文利用ADS软件设计一款带通滤波器，并对其进行优化和瞬态仿真分析。经过分析得出，在满足其他各项设计指标要求的前提下，优化后的滤波器选频特性得到明显提高。 关键词：带通滤波器；ADS；优化仿真；瞬时仿真 任务 利用ADS软件设计一个集总参数带通滤波器，集总参数带通滤波器设计指标如下。 带通滤波器的中心频率为150MHz。 通带频率范围为140MHz到160MHz。 通带内最大衰减为3dB。 在100MHz和200MHz时衰减大于30dB。 特性阻抗选为50Ω。 引言    - 1 - 一．创建原理图    - 2 - 二．利用设计向导生成集总参数带通滤波器原理图    - 2 - 三．观察原理图的仿真结果    - 4 - 四．实现集总参数带通滤波器的原理图    - 7 - 1．创建新设计    - 7 - 2．设计原理图    - 7 - 3．原理图仿真与优化    - 11 - 参考文献    - 17 - 引言 在现代通信系统中，滤波器的应用领域很广泛，如电视频道信号的选取，多音响装置的频谱分析器等，滤波器作为无线通信应用领域的一个重要器件，其性能指标往往直接影响到整个通信系统的优劣，伴随着移动通信、雷达、卫星通信等各通信系统的增多，电磁环境逐渐异常复杂化，从而使得通信系统中频带资源愈发短缺，导致频率间隔变得越发密集。怎样无失真的从逐渐短缺的频带资源内获取所需的信号并抑制其他无用或有害的信号，为滤波器的设计提出了苛刻的要求。虽然各滤波器在电子器件和技术的飞速发展的推动下层出不穷，但怎样制造小体积低成本易加工量产并满足指标要求的滤波器渐渐成为工程应用中的核心问题，集总参数滤波器以其自身优势作为首选应用在通信系统和设备中。 集总参数是指当实际电路的尺寸远小于电路工作时电磁波的波长时，可以把元件的作用集总在一起，用一个或有限个理想R、L、C元件来加以描述的电路参数。集总参数带通滤波器是指由集总参数元件构建的滤波器，其特性由构建此带通滤波器的集总参数元件值来确定。 本文阐述了利用ADS软件设计带通滤波器的方法、流程以及仿真过程，结合带通滤波器的一般原理和最小二乘误差法，以期寻找一种更为通用的、频带高度利用和相邻信道低干扰的带通滤波器的设计，同时给出其仿真结果。 一．创建原理图 下面将在LC_Filter项目中创建带通滤波器原理图，创建原理图的方法很多，这里创建原理图的步骤如下。 （1）选择主视窗中【File】菜单→【Open Project】，弹出【Open Project】对话框，【Open Project】。 （2）在【Open Project】对话框中选择LC_Filter_prj，然后单击对话框中的【OK】按钮，进入LC_Filter项目。 （3）在主视窗的工具栏中选择 按钮，弹出一个未命名的原理图untitled1，在未命名的原理图untitled1上，选择菜单【File】→【Save Design】，弹出【Save Design As】对话框。 （4）在【Save Design As】对话框中输入文件名Filter_Bandpass1，单击"保存"，将原理图命名为Filter_Bandpass1。 二．利用设计向导生成集总参数带通滤波器原理图 （1）在原理图Filter_Bandpass1中，选择【DesignGuide】菜单→【Filter】，弹出【Filter】对话框，在对话框中选择【Filter Control Window】项。 （2） 单击【Filter】对话框中的【OK】按钮，关闭【Filter】对话框，同时将弹出滤波器设计向导【Filter DesignGuide】的初始窗口。 （3）在【Filter DesignGuide】窗口中，单击工具栏中的按钮【Component Palette-All】，在Filter_Bandpass1原理图中出现【Filter DG-All】列下的元器件面板，【Filter DG-All】元器件面板上列出了各种类型滤波器的设计向导，包括集总元器件低通、高通、带通和带阻滤波器设计向导。 （4）在【Filter DG-All】元器件面板上，选择双端口带通滤波器，插入到原理图的画图区，然后单击 按钮，结束当前命令。原理图中的双端口带通滤波器如图1所示。 图1 双端口带通滤波器原理图 （5）重新回到【Filter DesignGuide】窗口，单击窗口中的【Filter Assistant】按钮，在【Filter DesignGuide】窗口中出现滤波器设计向导，如图2所示，图2中【SmartComponent】项为DA_LCBandpassDT1,说明Filter_Bandpass1原理图中现在出现了快捷元器件DA_LCBandpassDT1，设计向导就是用来设计原理图中的快捷元器件DA_LCBandpassDT1，同时可以看出，图2中出现了带通滤波器的曲线。 图2 滤波器设计向导中的设置选项 图2是初始状态，在图2中选择如下参量。 选择First Element为Series，也即选择滤波器的第一个元器件为串联方式。 Response Type选为Maximally Flat，也即滤波器响应的方式选为最大平滑（也称为巴特沃斯滤波器）。 Fs1选为100MHz。阻带频率Fs1选为100MHz。 Fp1选为140MHz。通带频率Fp 1选为140MHz。 Fp2选为160MHz。通带频率Fp 2选为160MHz。 Fs2选为200MHz。阻带频率Fs2选为200MHz。 Ap（dB）选为3。在通带频率内，最大衰减为3 dB。 As（dB）选为30。在阻带频率上，衰减为30dB。 其余选项保持默认状态。 单击【Filter DesignGuide】窗口中的【Design】按钮，软件中的设计向导完成设计。 （6）现在观察【Filter DesignGuide】窗口，可以看到现在窗口中的曲线已经改变为图3，图3是符合指标的滤波器曲线。 图3 滤波器设计向导中符合指标的设定 由图3可以看出，在通带内滤波器的响应是平滑的，在阻带内滤波器的衰减随着频率的升高单调上升，这是巴特沃斯带通滤波器。关闭【Filter DesignGuide】窗口。 （7）现在原理图中的DA_LCBandpassDT1元器件已经有了子电路，下面观察子电路，观察子电路的步骤如下。 在原理图中选中 DA_LCBandpassDT1 元器件。 然后单击原理图工具栏中的 按钮，进入DA_LCBandpassDT1元器件的子电路，DA_LCB andpassDT1元器件的子电路如图1所示。 由图4可以看出，满足技术指标的滤波器阶数为3。 图4 带通滤波器子电路 （8）在原理图的工具栏中，单击 按钮，由DA_LCBandpassDT1元器件子电路退出，回到图1所示的原理图中。 三．观察原理图的仿真结果 下面在带通滤波器原理图Filter_Bandpass1中设置仿真控件，来观察DA_LCBandpassDT1元器件的S参数，DA_LCBandpassDT1元器件的子电路为集总参数带通滤波器。 （1）打开Filter_LowBandpass1原理图。 （2）在原理图Filter_Bandpass1上选择S参数仿真元器件面板，在元器件面板上选择负载终端Term，将负载终端Term两次插入到原理图中，定义负载终端Term1为输入端口，负载终端Term2为输出端口。 （3）在原理图工具栏中单击 按钮，将地线（GROUND）两次插入原理图，让两个负载终端Term接地。 （4）单击工具栏中的 按钮，将原理图中的负载终端Term和带通滤波器连接起来，连接方式如图5所示。 图5带有负载终端的带通滤波器原理图 （5）在S参数仿真元器件面板上，选择S参数仿真控件SP，插入到原理图画图区，对S参数仿真控件设置如下。 频率扫描类型选为线性Linear。 频率扫描的起始值设为50MHz。 频率扫描的终止值设为250MHz。 频率扫描的步长设为10MHz。 其余的参数保持默认状态。 单击S参数仿真控件设置窗口中的OK，完成对S参数仿真控件的设置，现在用于仿真的集总参数带通滤波器原理图如图6所示。 图6用于仿真的集总参数带通滤波器原理图 （6）现在可以对图6所示的原理图仿真了。在原理图工具栏中单击 按钮，运行仿真，仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。数据显示视窗的初始状态没有任何数据显示，用户自己选择需要显示的数据和数据显示的方式，这里选择的步骤如下。 在数据显示视窗中，单击数据显示方式面板中的矩形图标，插入到数据显示区。 选择矩形图的横轴为频率，纵轴为用分贝（dB）表示的S21。 在S21曲线上插入四个Marker，S21曲线如图7所示。 单击工具栏中的 按钮，保存数据。 （7）由图7可以看出，S21曲线在100MHz、140MHz、160MHz和200MHz处的值如下。 在100MHz处，S21的值为-47.523dB。 在140MHz处，S21的值为-3.000dB。 在200MHz处，S21的值为-3.000dB。 在200MHz处，S21的值为-38.587dB。 S21曲线符合最大平滑响应，在四个Marker处图中的参数满足指标要求。 图7带通滤波器数据显示 四．实现集总参数带通滤波器的原理图 实际的集总参数带通滤波器，集总参数元器件之间需要有传输线连接，由于分布参数的影响，传输线会对滤波器的技术指标有影响，因此需要考虑加入传输线后滤波器的设计情况。 集总参数带通滤波器设计指标如下。 带通滤波器的中心频率为150MHz。 通带频率范围为140MHz到160MHz。 通带内最大衰减为3dB。 在100MHz时衰减大于30dB。 在200MHz时衰减大于30dB。 特性阻抗选为50Ω。 微带线基板的厚度选为1mm，基板的相对介电常数选为4.2。 连接集总参数元器件的微带线，长选为4mm，宽选为1.5mm。 连接集总参数元器件的弧形微带线，半径选为2.5mm，宽选为1.5mm。 1．创建新设计 创建一个新设计Filter_Bandpass2，这个设计依旧保存在LC_Filter项目之中。创建新设计的步骤如下。 （1）选择主视窗中【View】菜单→【Startup Directory】，然后在主视窗中的文件浏览区选择LC_Filter_prj，双击进入LC_Filter项目。