耦合微帶濾波器原理圖設(shè)計與仿真與優(yōu)化

基本概念

微帶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。

駐波比：駐波比全稱為電壓駐波比，又名VSWR和SWR，為英文Voltage Standing Wave Ratio的簡寫。指駐波波腹電壓與波谷電壓幅度之比，又稱為駐波系數(shù)、駐波比。駐波比等于1時，表示饋線和天線的阻抗完全匹配，此時高頻能量全部被天線輻射出去，沒有能量的反射損耗;駐波比為無窮大時，表示全反射，能量完全沒有輻射出去。

微波濾波器也可分為低通、帶通、帶阻、高通濾波器;按濾波器的插入衰減地頻響特性可分為最平坦型和等波紋型;根據(jù)工作頻帶的寬窄可分為窄帶和寬帶濾波器;按濾波器的傳輸線分類可分為微帶濾波器、交指型濾波器、同軸濾波器、波導(dǎo)濾波器、梳狀線腔濾波器、螺旋腔濾波器、小型集總參數(shù)濾波器、陶瓷介質(zhì)濾波器、sir(階躍阻抗諧振器)濾波器、高溫超導(dǎo)材料等。

微波濾波器的原理：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。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。

微波濾波器的應(yīng)用：微波濾波器是一類無耗的二端口網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于微波通信、雷達、電子對抗及微波測量儀器中，在系統(tǒng)中用來控制信號的頻率響應(yīng)，使有用的信號頻率分量幾乎無衰減地通過濾波器，而阻斷無用信號頻率分量的傳輸。濾波器的主要技術(shù)指標有:中心頻率,通帶帶寬,帶內(nèi)插損,帶外抑制,通帶波紋等。

耦合微帶濾波器是微帶濾波器得一種常用形式，由多個長度為四分之一波長得耦合線節(jié)組成，在所需要得頻點形成諧振，構(gòu)成濾波器得頻率響應(yīng)特性。它的主要參數(shù)包括微帶線長、線寬以及線間距等。

實驗?zāi)繕?/p>

5階帶通耦合微帶線濾波器來說明使用ADS進行濾波器設(shè)計的基本方法和流程，設(shè)計指標：

通帶為2.3~2.5GHz。

通帶內(nèi)衰減小于2dB，紋波小于1dB。

阻帶小于2.1GHz，大于2.7GHz時衰減大于40dB

反射系數(shù)小于-20dB。

步驟

1、這里新建工作空間和新建原理圖就不說了，在原理圖設(shè)計窗口中選擇“TLines-Microstrip”，從元件面板中選擇微帶線MCLIN插入到第一個平行耦合線之前以及第五個平行耦合線之后，并連接起來。

2、完成連線后，如下圖所示，這就構(gòu)成了五階耦合微帶線濾波器的主體電路。

3、完成電路圖后需要對微帶線的尺寸參數(shù)和電器參數(shù)進行設(shè)置，從“TLines-Microstrip”面板中選擇微帶線參數(shù)設(shè)置控制器MSUB插入原理圖中，雙擊MSUB控制器，進行參數(shù)設(shè)置。

H=0.8mm，表示微帶線基板厚度為0.8mm；Er=4.3，表示微帶線相對介電常數(shù)為4.3；Mur=1，表示微帶線相對磁導(dǎo)率為1；Cond=5.88e+7,表示微帶線電導(dǎo)率；Hu=1.0e+33mm，表示微帶線封裝高度；T=0.03mm，表示微帶線金屬層厚度；TanD=1e-4，表示微帶線損耗角正切；Rough=0mm，表示微帶線表面粗糙度。

4、為了實現(xiàn)50Ω的阻抗匹配，必須設(shè)置濾波器兩端微帶線的特性阻抗為50Ω。根據(jù)如下的步驟進行計算。

出來的界面根據(jù)如下設(shè)置還，接著，“Systhesize”，計算出W和L的值。分別為1.52mm和17.33mm。

5、返回原理圖，將W和L分別設(shè)置為1.52mm和17.33mm，由于平行耦合濾波器在結(jié)構(gòu)上是完全對稱的，所以在本次設(shè)計的5階濾波器中，第1、5和2、4節(jié)耦合節(jié)在參數(shù)寬W、長L和間距S上完全相同。在這里設(shè)置這些參數(shù)為變量，以便在優(yōu)化設(shè)計中進行修正，具體參數(shù)設(shè)置如下：

6、在原理圖窗口選擇變量[VAR]，插入原理圖中對耦合節(jié)中的參數(shù)進行設(shè)置。雙擊變量控制器，在彈出的對話框中設(shè)置耦合節(jié)的W、L和S。為方便之后進行優(yōu)化修正，這里還需要使用優(yōu)化選項，設(shè)定參數(shù)值在一定的范圍。以w1為例，具體方法如下：在“Name”欄中輸入?yún)?shù)名“w1”，和之前一樣，設(shè)置w1的范圍。

用同樣的方法對其他參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置完成之后，如下圖所示：

7、完成原理圖參數(shù)設(shè)置以后，就可以進行仿真參數(shù)的設(shè)置，和之前一樣在原理圖中家入S參數(shù)仿真的控制器，并對其進行設(shè)置

8、運行仿真，看S(2,1)和S(1,1)。從圖可以看出，濾波器雖然通帶正確，但在通帶內(nèi)紋波較大，且?guī)?nèi)衰減最大，未能滿足設(shè)計要求，而且通帶內(nèi)反射系數(shù)較大，信號較大的衰減，也不能達到設(shè)計要求，所以必須對其進行優(yōu)化。

對濾波器電路參數(shù)的優(yōu)化

1、和之前一樣，在原理圖窗口中選擇優(yōu)化控制器面板“Optim/Stat/Yield/DOE”，選擇優(yōu)化控制器Optim插入原理圖中，并對其進行設(shè)置。

2、和之前一樣，在優(yōu)化控制器面板中加入四個優(yōu)化目標，并對其進行設(shè)置。

第一個目標是：S(2,1)的優(yōu)化值最小衰減-2dB

第二個目標是：S(2,1)的優(yōu)化值最大衰減-40dB

第三個目標是：S(2,1)的優(yōu)化值最小衰減-40dB

第三個目標是：S(1,1)的優(yōu)化值最大衰減-20dB

設(shè)置的目標分別如下：

3、和之前一樣，Simulate->Optimize，

進行“Simulate”，最后得到參數(shù)。

4、最后將數(shù)據(jù)返回到原理圖中，進行仿真，得到S(1,1)、S(2,1)。

可以看出這個比之前的要好，基本可以滿足優(yōu)化要求。

5、再進行濾波器群延時的仿真和駐波比的仿真，在原理圖中插入一個測量公式控制器Meas Eqn，和一個駐波比仿真控制器。

6、完成設(shè)置后，開始仿真，得到Meas1的曲線和VSWR1的曲線，Meas1表示的是通帶內(nèi)相頻特性呈線性。

這就是一個優(yōu)化的過程，如果一次優(yōu)化沒用達到設(shè)計目的，需要進行多次反復(fù)進行，直到達到預(yù)期的設(shè)計目標為止。