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1、 微帶帶通濾波器設(shè)計 姓名: 楊 凱 學(xué)號:1104480134 姓名: 黃子宸 學(xué)號:1104480115 姓名: 錢 鋮 學(xué)號:1104480105 指導(dǎo)教師: 錢嵩松 2014年5月 目錄 摘 要 - 1 - Abstract - 1 - 第1 章 引言 - 3 - 1.1 課題背景和意義 - 3 - 1.2 微帶濾波器國內(nèi)外研究情況 - 4 - 1.3 濾波器的分類 - 7 - 1.4 HFSS及ADS 介紹 - 8 - 第2章 帶通濾波器

2、設(shè)計理論 - 8 - 2.1 帶通濾波器的參數(shù) - 9 - 2.2 帶通濾波器的設(shè)計原型 - 10 - 2.3 原型濾波器的元件值的歸一化及其計算 - 12 - 第3章 微帶帶通濾波器的設(shè)計與優(yōu)化 - 13 - 3.1 微帶線和奇模、偶模特征阻抗 - 13 - 3.2 S 參數(shù) - 15 - 3.3 設(shè)計指標(biāo)及流程圖 - 18 - 3.4 原理圖設(shè)計 - 19 - 3.4.1 低通濾波器原型的參數(shù)的計算 - 20 - 3.4.2 奇模和偶模特性阻抗的計算 - 22 - 3.4.3 微帶線尺寸的計算 - 23 - 3.4.4 HFSS原理圖繪制與仿真 - 24 - 3

3、.4.5 ADS原理圖繪制與仿真 - 25 - 3.5 微帶帶通濾波器的優(yōu)化 - 26 - 3.5.1 對HFSS結(jié)果的優(yōu)化 - 26 - 3.5.2 對ADS結(jié)果的優(yōu)化 - 28 - 結(jié)束語 - 30 - 致 謝 - 31 - 參考文獻(xiàn) - 31 -  摘 要 本文首先介紹了微波濾波器的應(yīng)用和當(dāng)前的研究情況。然后介紹了濾波器的理論基礎(chǔ)和重要參數(shù)。之后該論文基于仿真軟件HFSS和ADS及公式的基礎(chǔ)上，介紹了微帶線帶通濾波器的設(shè)計方法，同時借助HFSS和ADS軟件分別對所設(shè)計的微帶線濾波器進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，最終得到比較理想的微帶線濾波器。在進(jìn)行原理圖設(shè)

4、計、仿真和優(yōu)化的過程中，重點內(nèi)容是原理圖的繪制和S 參數(shù)的優(yōu)化。在已知公式和表格的基礎(chǔ)上，能夠計算出濾波器的各種參數(shù)，利用這些參數(shù)能夠繪制原理圖；S 參數(shù)的優(yōu)化主要是優(yōu)化范圍的修改和一個不斷重復(fù)的過程。本次設(shè)計所完成的濾波器如下：通帶8－10 GHz，帶內(nèi)波紋0.5dB，7.2GHz 以下及10.8GHz 以上衰減大于40dB。 結(jié)果表明，基于微波仿真軟件HFSS 和ADS的微帶線帶通濾波器能夠順利實現(xiàn)，并且重要參數(shù)能夠較好的控制在所要求的范圍內(nèi)。 關(guān)鍵詞： 微帶線 微帶帶通濾波器 電磁仿真 Abstract At first, this paper introd

5、uces the application of microwave filters, and the current state of studying the filters. Then introduces the theory basis and important parameter. With the software HFSS,ADS and the formula, this paper also well design a microstrip band-pass filter. At the same time also do the simulation and optim

6、ination with the help of HFSS and ADS. Finally we get a relatively ideal microstrip filter. In the process of designing the schematic diagram, simulating and optimizing, the point is to draw the elementary diagram and optimize parameter S. Based on the formula and diagram known, we can calculate all

7、 the parameters of the filter. With that, we can draw the schematic diagram. The optimizing of the parameter S mainly includes the modification of the optimization’s sphere and its repetition. The filters this design contains are as follows: Pass band 8-10GHz, the band ripple 0.5dB, 7.2GHz and 10.8G

8、Hz weakens is bigger than 40dB. The result shows that microstrip band-pass filter based on microwave circuit simulation software HFSS and ADS is effective, and the important parameter can be controlled in the required limits. Keywords: microstrip, band-pass filter, electromagnetic simulatio

9、n 第1 章 引言 1.1 課題背景和意義 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得人類社會進(jìn)入了信息時代，信息時代的主要標(biāo)志之一就是信息的快速廣泛的傳遞。信息傳遞必須通過兩種方式：有線傳輸方式和無線傳輸方式。目前的固定電話、有線電視、有線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)都屬于有線傳輸。移動通信、衛(wèi)星通信屬于無線通信。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人類對通信的需求越來越高，無線通信技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。圖1-1 是一種典型的移動電話射頻電路方框圖，圖中的虛線部分表示在該無線通信設(shè)備中的濾波元件。從圖中可以看出，信號的接收和發(fā)射都離不開濾波器

10、，它們的尺寸以及工作性能直接影響整個無線通信設(shè)備的體積以及工作性能。 圖 1-1 一種典型的移動電話射頻方框圖 無線通信技術(shù)和集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，對無線通信電子設(shè)備提出了更高的要求，集成化、小型化、高可靠性已經(jīng)成為無線通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，這就要求電路在滿足電氣性能的同時，盡可能減少電路占用空間。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，近年來出現(xiàn)了多芯片組件(MCM)、片上系統(tǒng)(SOC)、封裝系統(tǒng)(SOP)等新的封裝形式。這些新的封裝形式，通過將不同信號的集成電路高密度地混合集成在一起，能夠有效地減小系統(tǒng)的體積，從而實現(xiàn)了無線通信系統(tǒng)的小型化。目前，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，無線通信系統(tǒng)中的有源電路已經(jīng)

11、實現(xiàn)了微型化并且能夠有效地采用現(xiàn)代封裝技術(shù)進(jìn)行集成。而系統(tǒng)中的天線、濾波器、耦合器等無源電路盡管可以在一定程度上集成在現(xiàn)代封裝系統(tǒng)中，但是，由于其工作性能的特殊要求及其特定的工作原理，還不能從設(shè)計上完全實現(xiàn)小型化，仍然面臨著小型化、高性能化的關(guān)鍵技術(shù)難題。采用傳統(tǒng)方法設(shè)計的濾波器尺寸一般比較大，在工作性能上也存在著一定的局限性，往往不能夠滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的要求，急需從小型化和高性能設(shè)計兩個方面進(jìn)行改進(jìn)。目前，國內(nèi)外針對這一研究熱點進(jìn)行了廣泛的研究，提出了一些新的設(shè)計方法，并且取得了一定的成效。從設(shè)計上實現(xiàn)濾波器小型化，不僅可以減小濾波器自身的尺寸面積，而且更加有利于系統(tǒng)的封裝集成，進(jìn)一步實

12、現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的小型化。因此，性能優(yōu)良、高集成度的微波濾波器研究成為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)研究中一個十分關(guān)鍵的工作。微帶濾波器因為重量輕、體積小、制造成本低且易于與其他微波電路集成等優(yōu)點 而廣泛應(yīng)用在無線通信系統(tǒng)中。 1.2 微帶濾波器國內(nèi)外研究情況 移動通信產(chǎn)業(yè)驚人的成長速度超出了人們的想象，促進(jìn)了濾波器的飛速發(fā)展，特別是固態(tài)化濾波器的發(fā)展，如晶體濾波器、陶瓷濾波器、SAW 濾波器、介質(zhì)濾波器等。市場需求的巨大動力促使各類濾波器不斷揚長避短、改進(jìn)提高，在很大程度上已突破了早期的多種性能、功能或成本局限。 近年來，薄膜聲學(xué)體波共振技術(shù)（FBAR）給射頻前端濾波器小型化和集成化帶來一線曙光

13、。當(dāng)然，許多問題涉及工藝控制與封裝過程，有待解決。典型的FBAR 測試結(jié)果顯示， FBAR 技術(shù)帶來的高Q 值和高耦合系數(shù)可與高級的陶瓷的和聲表面波振子相媲美，目前達(dá)到 的Q 值己超過1000 ，與基于陶瓷的產(chǎn)品相比，F(xiàn)BAR 技術(shù)在小型化方面占有絕對的優(yōu)勢，可實現(xiàn)體積小于目前基于陶瓷產(chǎn)品10%的產(chǎn)品。FBAR 的電特性己經(jīng)達(dá)到目前CDMA 和PCS 陶瓷雙工器的性能標(biāo)準(zhǔn)。為了減小體積，村田公司開發(fā)出 MB 型片式介質(zhì)濾波器，它是由 2-3 個同軸諧振器整塊連體構(gòu)成，而無需電路基板、耦合器、外罩等。PHS 1900 用最小的 2 級帶通濾波器僅3.84.32.0( mm ) ，而相對應(yīng)的2 級

14、耦合型介質(zhì)濾波器只能達(dá)7.0 8.03.7( mm ）。西門子公司研制的3 級整塊聯(lián)體型片式介質(zhì)濾波器，尺寸規(guī)格僅8.8 7.452.75( mm )—5.754.02.95( mm ) ，適用于ISM915、GPS1500 、PCN / PCS1800 、 PHS1900 。W-LAN2450 的最小型僅為 3.255.01.9( mm ）。1990 年日本住友公司提出低溫共燒多層介質(zhì)平面型濾波器的構(gòu)想。此后，松下、日本、飛利浦、雙信、NGK 、JTI 等公司先后開發(fā)出適合于表面貼裝的同類新產(chǎn)品。 根據(jù)IEEE 521-2002標(biāo)準(zhǔn)，X波段是指頻率在8-12 GHz的無線電波波段，在電磁

15、波譜中屬于微波。而在某些場合中，X波段的頻率范圍則為7-11.2 GHz。通俗而言，X波段中的X即英語中的“extended”，表示“擴(kuò)展的”調(diào)幅廣播。 X波段通常的下行頻率為7.25-7.75 GHz，上行頻率為7.9-8.4 GHz，也常被稱為7/8 GHz波段（英語：8/7 GHz X-band）[1]。而NASA和歐洲空間局的深空站通用的X波段通信頻率范圍則為上行7145-7235 MHz，下行8400-8500 MHz。 根據(jù)國際電信聯(lián)盟無線電規(guī)則第8條，X頻段在空間應(yīng)用方面有空間研究、廣播衛(wèi)星、固定通訊業(yè)務(wù)衛(wèi)星、地球探測衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等用途。雨衰減對X頻段的信號傳輸有一定的影響

16、。 我國移動通信發(fā)展迅速，一方面用戶數(shù)量不斷增長，另一方面用戶要求的業(yè)務(wù)種類也不斷的增加，從話音業(yè)務(wù)到短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以及將來的移動多媒體業(yè)務(wù)。由于用戶超常規(guī)發(fā)展?，F(xiàn)在移動通信系統(tǒng)從GSM 到GPRS 直至CDMA ，頻率從原來的幾百赫茲到了現(xiàn)在的 9OOMHz 、1.8 GHz 、2.4GHz 、5.8GHz 甚至更高。與此同時對于器件的小型化和高性能的要求也在不斷提高。在微波波段，濾波器由于其具有小型化、易集成、設(shè)計靈活等優(yōu)點而越來越受到重視。制作的微帶濾波器的插損小、帶邊陡峭度高、帶外抑制大、具有高靈敏度和高選擇性，在移動通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。為了在移動設(shè)備等器件上獲得更廣泛的

17、應(yīng)用，器件小型化已經(jīng)是非常重要的要求，在應(yīng)用新型材料制作的同時，我們也利用了微波技術(shù)的各種理論通過都對微帶濾波器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。例如多模微帶濾波器，類交趾濾波器等。在設(shè)計中，可以采用多個相互耦合的微帶線以提高濾波器的耦合度，降低濾波器的面積，同時，從微帶線的等效分布電感、電容出發(fā)，結(jié)合模擬和試驗結(jié)果，提出濾波器的等效LC 電路，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而減小濾波器的尺寸。 1.3 濾波器的分類 最普通的濾波器有低通、高通、帶通、帶阻衰減特性（如圖1-2 所示）。 圖1-2 四個普通濾波器的特性曲線 可以從不同角度對濾波器進(jìn)行分類： (a) 按功能分，有低通濾波器，高通濾波器

18、，帶通濾波器，帶阻濾波器，可調(diào)濾波器。 (b) 按用的元件分，有集總參數(shù)濾波器，分布參數(shù)濾波器，無源濾波器，有源濾波器， 晶體濾波器，聲表面波濾波器，等等。 1.4 HFSS及ADS 介紹 HFSS – High Frequency Structure Simulator,Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件, HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設(shè)計界面、精確自適應(yīng)的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計功能，它可以計算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場方向圖剖面、遠(yuǎn)場3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性

19、，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比。 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)(Advanced Design System)，簡稱ADS，是安捷倫科技有限公司(Agilent)為適應(yīng)競爭形勢，為了高效的進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)，而設(shè)計開發(fā)的一款EDA軟件。軟件迅速成為工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域EDA軟件的佼佼者，因其強(qiáng)大的功能、豐富的模板支持和高效準(zhǔn)確的仿真能力（尤其在射頻微波領(lǐng)域），而得到了廣大IC設(shè)計工作者的支持。 ADS是高頻設(shè)計的工業(yè)領(lǐng)袖。它支持系統(tǒng)和射頻設(shè)計師開發(fā)所有類型的射頻設(shè)計，從簡單到最復(fù)雜，從射頻∕微波模塊到用于通信和航空航天∕國防的MMIC。 第2章 帶通濾波器設(shè)計理論 論文研

20、究的是使用 HFSS 軟件設(shè)計微帶帶通濾波器的解決方案，而帶通濾波器是以低通濾波器為原型設(shè)計的。當(dāng)平行耦合微帶線長度為λ/4 時，有帶通濾波器的特性，但其不能提供陡峭的通帶到阻帶過渡，如果將多個耦合微帶線單元級聯(lián)，級聯(lián)后的網(wǎng)絡(luò)可以具有良好的濾波特性。 2.1 帶通濾波器的參數(shù) (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

21、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3dB帶寬之比 (12) 反射損耗(Return loss) (13) 形狀系數(shù)

22、(shape factor)：定義為BW(60dB點)/BW(3dB點) (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。 2.2 帶通濾波器的設(shè)計原型 低通濾波器是帶通濾波器的特例，可作為帶通濾波器設(shè)計基礎(chǔ)。兩種常見的低通濾波器原型： （1） 平坦低通濾波器特性曲線（如圖2-1所示）： 圖2-1 最大平坦低通濾波器特性曲線 數(shù)學(xué)表達(dá)式如（2-1）： Laω=10log1+εωω12ndB (2-1) (2-1)中ε滿足關(guān)系式（2-2）：

23、 10logε+1=LAr (2-2) N對應(yīng)于電路所需級數(shù)。 特點：ω = 0 處(2n-1)階的導(dǎo)數(shù)=0 , ω1定義為衰減3dB 的頻帶邊緣點 (2) 切比雪夫低通濾波器特性曲線（如圖2-2 所示）： 圖2-2 切比雪夫低通濾波器特性曲線 n仍舊是電路里電抗元件的數(shù)目。 特點：帶內(nèi)衰減呈波紋特性 LAr定義為等波紋頻帶的邊緣頻率。 最大平坦衰減特性曲線與切比雪夫特性曲線比較可以看出： 1、 若通帶內(nèi)允許的衰減量LAr和電抗元件的數(shù)n為一定，則

24、切比雪夫濾波器的截止速率更快。因為其截止陡削，所以常常寧可選擇切比雪夫特性曲線而不取其他的特性曲線。 2、 假如濾波器中的電抗元件的損耗較大，那么無論那種濾波器的通帶響應(yīng)的形狀與無耗時的比較，都將發(fā)生變化，而在切比雪夫濾波器中這種影響尤其嚴(yán)重。 3、 理論證明了最大平坦濾波器的延遲畸變要比切比雪夫濾波器小。 2.3 原型濾波器的元件值的歸一化及其計算 目的：提高設(shè)計通用性 歸一化定義： g0=R’0=1或g0=G’0= 1 ω1= 1 對于兩端帶有電阻終端的最大平坦濾波器，給定LAr= 3dB、g0= 1 和 ω1 = 1，則其原型元件值可以按下式計算：

25、 gA=2sin2k-1π2n,k=1,2,…n (2-6) g0=1、gn+1=1 對于兩端具有電阻終端的切比雪夫濾波器，當(dāng)其通帶波紋為LArdB、 g0 = 1 和 ω1= 1，它的原型元件值可按以下各式計算： β=lncothLAr13.37 (2-7) γ=sinhβ2n (2-8) ak=sin2k-1π2n,k=1,2,…n (2-9) bk=γ2+sinkπn,k=1,2,…n

26、 (2-10) g1=2a1γ (2-11) gk=4ak-1akbk-1gk-1 (2-12) 當(dāng)n 為奇數(shù)時， gn=1 =1 (2-13) 當(dāng)n 為偶數(shù)時，

27、gn=1=coth2β4 (2-14) 第3章 微帶帶通濾波器的設(shè)計與優(yōu)化 微帶帶通濾波器是一種被廣泛研究的微波濾波器類型，它的品種繁多，性能各異，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一。微帶線帶通濾波器是一種分布參數(shù)濾波器，它是由微帶線或耦合微帶線組成，具有體積小、重量輕、價格低、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，在微波工程中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。 3.1 微帶線和奇模、偶模特征阻抗 微帶線是位于接地層上由電介質(zhì)隔開的印制導(dǎo)線，它是一根帶狀導(dǎo)(信號線)，與地平面之間用一種電介質(zhì)隔離開。印制導(dǎo)線的厚度、寬度、印

28、制導(dǎo)線與地層的距離以及電介質(zhì)的介電常數(shù)決定了微帶線的特性阻抗。如果線的厚度、寬度以及與地平面之間的距離是可控制的，則它的特性阻抗也是可以控制的。單位長度微帶線的傳輸延遲時間，僅僅取決于介電常數(shù)而與線的寬度或間隔無關(guān)帶狀線是介于兩個接地層之間的印制導(dǎo)線，它是一條置于兩層導(dǎo)電平面之間的電介質(zhì)中間的銅帶線。它的特性阻抗和印制導(dǎo)線的寬度、厚度、電介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩個接層的距離有關(guān)。如果線的厚度和寬度、介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩層導(dǎo)電平面間的距離是可控的，那么線的特性阻抗也是可控的。微帶線特性阻抗如式(3-2)和模型（如圖3-2所示）： Z

29、0=87εr+1.41ln5.98h0.8w+t (3-1) 圖3-1 表層微帶線模型 其中Z0是微帶線的特性阻抗，w是微帶線寬度，t是微帶線厚度，h是電介質(zhì)厚度，εr是硬質(zhì)電路板的相對介電常數(shù)。 與金屬波導(dǎo)相比，微帶線體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等優(yōu)點；但損耗稍大，功率容量小。60年代前期，由于微波低損耗介質(zhì)材料和微波半導(dǎo)體器件的發(fā)展，形成了微波集成電路，使微帶線得到廣泛應(yīng)用，相繼出現(xiàn)了各種類型的微帶線。一般用薄膜工藝制造。介質(zhì)基片選用介電常數(shù)高、微波損耗低的材料。導(dǎo)體應(yīng)具有導(dǎo)電率高、穩(wěn)定性好、與基片的粘附

30、性強(qiáng)等特點。 當(dāng)多根傳輸線相互之間靠得很近的時候,傳輸線之間的電場和磁場將互相交互作用的更為復(fù)雜,傳輸在線的信號切換(switching)狀態(tài)決定了以何種模式的傳輸,這種相互作用的重要性在于會改變傳輸線有效的特性阻抗和傳輸速率,特別是當(dāng)很多非?？拷膫鬏斁€同時切換,這種現(xiàn)象尤為嚴(yán)重,它會使總線出現(xiàn)特性阻抗和延遲時間產(chǎn)生變化,從而影響總線的傳輸效能。因此,在系統(tǒng)設(shè)計中必須考慮到這些方面的影響。 當(dāng)兩根耦合的傳輸線相互之間的驅(qū)動信號振幅大小相同但相位相差 180 度的時候,就是一個奇模傳輸?shù)哪Ｐ汀４饲闆r下,傳輸線的等效電容增大,但是等效電感變小。 當(dāng)兩根耦合的傳輸線相互之間的驅(qū)動信號振幅大

31、小相同且相位也相同時,就是一個偶模傳輸?shù)哪Ｐ?。此情況下,傳輸線的等效電容減小,但是等效電感增大。奇模和偶模傳輸模型如下圖所示： 圖3-2 奇模和偶模模型圖 可以將平行耦合微帶線視為偶模激勵和奇模激勵的疊加，偶模和奇模有不同的特性阻抗，偶模的特性阻抗為Z0e,奇模特性阻抗為Z0o。奇偶模的特性阻抗與微帶線的尺寸和材料有關(guān)。 3.2 S 參數(shù) 網(wǎng)絡(luò)理論是一種非常普遍的處理問題的方法，它把系統(tǒng)用一個由若干端口對外的未知網(wǎng)絡(luò)表示。微波網(wǎng)絡(luò)理論是微波工程強(qiáng)有力的工具，主要研究微波網(wǎng)絡(luò)各端口的物理量之間的關(guān)系，實際的微波/射頻濾波器也是用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量。微波網(wǎng)絡(luò)分為線性與非線性，有源

32、與無源，有耗與無耗，互易與非互易。 雙口元件是在微波工程中應(yīng)用最多的一種元件，主要有濾波器、移相器、衰減器等。與單口元件相似，雙口元件一般采用網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行分析，但是，值得指出的是元件的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)本身還是需要用場論方法求得，或者實際測量得到，從這個意義上講，場論是問題的內(nèi)部本質(zhì)，而網(wǎng)絡(luò)則是問題的外部特性。 幾乎所有的微波元件都可以由一個網(wǎng)絡(luò)來代替，并且可以用網(wǎng)絡(luò)端口參考面上的變量來描述其特性（在傳輸線上端口所在的位置，與能流方向垂直的橫截面通常稱為“參考面”）。選擇參考面的原則是在該參考面以外的傳輸線上只傳輸主模。 微波網(wǎng)絡(luò)有不同的網(wǎng)絡(luò)參量：阻抗參量Z、導(dǎo)納參量Y 和A 參量反映的是參

33、考面上電壓與電流的關(guān)系；散射參量S、傳輸參量T 反映的是參考面上歸一化入射波電壓和歸一化反射波電壓之間的關(guān)系。在微波頻率下，阻抗參量Z、導(dǎo)納參量Y 和A 參量不能直接測量， 所以引入散射參量S 和傳輸參量T。利用S 參量，射頻電路設(shè)計者可以在避開不現(xiàn)實的終端條件以及避免造成待測器件損壞的前提下，用兩端口網(wǎng)絡(luò)的分析方法來確定幾乎所有射頻器件的特征，故S 參量是微波網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的一種主要參量。 圖3-3 二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖 S 參量是根據(jù)某端口上接匹配負(fù)載的情況下所得到的歸一化波來定義的。設(shè)an 表示第 n 個端口的歸一化入射波電壓，bn 表示第n 個端口的反射波歸一化電壓。 所謂歸一

34、化波，就是各端口的波用其對應(yīng)端口的參考阻抗進(jìn)行歸一化后得到的波，它們與同端口的電壓的關(guān)系為 an=U+Zcn (3-2) bn=U-Zcn (3-3) 對于線性二端口網(wǎng)絡(luò)（如圖2-5所示），歸一化入射波a 和反射波b 之間存在如下關(guān)系: b1=s11a1+s12a2 (3-4a) b2=s21a1+s22a2 (3-4b) 式（3-4）寫成矩陣形式為 b=Sa

35、 （3-5） 矩陣S 稱為二端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣或S 矩陣，表示為 S=S11S12S21S22 (3-6) 式（3-6）中的矩陣元素稱為網(wǎng)絡(luò)的散射參量，各項矩陣參量的物理意義為： S11=b1/a1|a2=0 表示端口2 匹配時，端口1 的反射系數(shù)； S22=b2/a2|a1=0 表示端口1 匹配時，端口2 的反射系數(shù)； S12=b1/a2|a1=0 表示端口1 匹配時，端口2 到端口1 的傳輸系數(shù)； S21=b2/a1|a2=0 表示端口2 匹配時，端口1 到端口2 的傳輸系數(shù)； ai=0 表示第i 個端口接匹配負(fù)載，該端口不存在反射波。

36、 對S11的模取對數(shù)就可以得到以dB 為單位的回波損耗 ： ReturnLoss(dB)=-20log|S11| （3-7） 另外2 端口的電壓與信號源的電壓有直接關(guān)系，所以S21可以用來表示網(wǎng)絡(luò)的正向電壓增益： G0=S212=V2VS/22 (3-8) S 參量是射頻電路中最常用的參量，由于S 參量很適合描述射頻電路的相關(guān)性能參數(shù)， 因此在射頻電路中有著十分廣泛的作用，是本次設(shè)計所要求的重要指標(biāo)。 3.3 設(shè)計指標(biāo)及流程圖 (1)設(shè)計指標(biāo)： 通帶8－10GHz，帶內(nèi)波紋0.5dB。 7.2GHz 以下及10.8G

37、Hz 以上衰減大于40dB。 (2)下面是本人設(shè)計的濾波器的流程圖： 確定濾波器指標(biāo) 確定標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù) 計算查表得濾波器階數(shù)N 計算傳輸線基模、偶模特性阻抗 利用ADS工具計算各節(jié)耦合線幾何尺寸 原理圖繪制 分別利用HFSS和ADS進(jìn)行仿真得到波形 達(dá)到技術(shù)指標(biāo) 優(yōu)化 得到最終W、S、L 圖3-4 設(shè)計流程圖 L 表示微帶線長，W 表示線寬，S 表示微帶線導(dǎo)體帶的間隔。 3.4 原理圖設(shè)計 基板參數(shù)： H:基板厚度(0.5 mm) Er:基板相對介電常

38、數(shù)(9.9) Mur:磁導(dǎo)率(1) Cond:金屬電導(dǎo)率(5.88e+7) Hu:封裝高度(1.0e+33 mm) T:金屬層厚度(0.01 mm) TanD:損耗角正切(1e-4) Roungh:表面粗糙度(0 mm) 主要關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)：通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏；阻帶邊界頻率與阻帶衰減。這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)。 圖3-5是一個微帶帶通濾波器及其等效電路，它由平行的耦合線節(jié)相連組成，并且是左右對稱的，每一個耦合線節(jié)長度約為四分之一波長(對中心頻率而言)，構(gòu)成諧振電路。 圖

39、3-5 微帶帶通濾波器模型及其等效電路圖 在進(jìn)行設(shè)計時，主要是以濾波器的S 參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真。S21(S12)是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在S21(S12)隨頻率變化曲線的 形狀上。S11(S22)參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，由它可以換算出輸入、輸出端的電壓駐波比。如果反射系數(shù)過大，就會導(dǎo)致反射損耗增大，并且影響系統(tǒng)的前后級匹配，使系統(tǒng)性能下降。 3.4.1 低通濾波器原型的參數(shù)的計算 首先根據(jù)濾波器參數(shù)指標(biāo)，計算出濾波器低通歸一化頻率 ωω1=Ω=f0fH-fLff0-f0f=1.696 帶內(nèi)波紋為0.5分貝，，故選用0.5dB 波

40、紋的切比雪夫低通濾波器原型，其阻帶衰減特性圖如圖3-6： 圖3-6 0.5dB波紋切比雪夫低通濾波器阻帶衰減特性 故可知濾波器級數(shù) N=6 ，同時切比雪夫濾波器元件參數(shù)表如圖3-7 ： 圖3-7 切比雪夫低通濾波器元件數(shù)值 可知具有帶內(nèi)波紋0.5dB 的6階切比雪夫標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù) g1=1.7254,g2=1.2479,g3=2.6064,g4=1.3137,g5=2.4758 g6=0.8696,g7=1.9841 3.4.2 奇模和偶模特性阻抗的計算 首先由下列各式(3-9)、(3-10)、(3-11)計算出耦合間J 變換的特性導(dǎo)納J i 。 J1Y0-

41、1=πFBW2g0g1 (3-9) JiY0-1=πFBW2gigi+1 (3-10) JnY0-1=πFBW2gngn+1 (3-11) 上式中g(shù)0g1...gn+1是低通原型濾波器的歸一化值。 FBW 是帶通濾波器的相對帶寬，F(xiàn)BW=f2-f1f0， J i是J 變換的特性導(dǎo)納，Y 是輸入輸出微帶線端的特性導(dǎo)納。利用下面的公式(3-12)、(3-13)計算出奇偶模特性阻抗。 Z0O|i=Z01-Z0Ji+Z0Ji2

42、 (3-12) Z0e|i=Z01+Z0Ji+Z0Ji2 (3-13) i Z0Ji,i+1 Z0o(Ω) Z0e(Ω) 0 0.4498 37.6260 82.6060 1 0.2379 40.9348 64.7248 2 0.1936 42.1940 61.5540 3 0.1886 42.3485 61.2085 4 0.1936 42.1940 61.5540 5 0.2379 40.9348 64.7248 6

43、0.4498 37.6260 82.6060 表3-1 各節(jié)奇偶特性阻抗數(shù)值 3.4.3 微帶線尺寸的計算 在微帶帶通濾波器中，也經(jīng)常用半波長平行耦合諧振電路來級聯(lián)形成帶通濾波器。此種濾波器的結(jié)構(gòu)形式使相鄰的半波長諧振單元彼此平行排列，其耦合值的大小通過相鄰平行耦合線間的距離來決定。因而，這種結(jié)構(gòu)形式的濾波器容易用來制造帶通濾波器。 ADS 軟件中的工具tools，可以對不同類型的傳輸線進(jìn)行計算。對于平行耦合微帶線來說，可以進(jìn)行物理尺寸和點參數(shù)之間的數(shù)值轉(zhuǎn)換，若給定平行耦合微帶線奇模和偶模的特性阻抗，可以計算平行耦合微帶線的導(dǎo)體帶的寬度和間隔距離。 根據(jù)所求得奇偶

44、模特性阻抗利用ADS 軟件Linecalc 來計算微帶尺寸，將窗口里的參數(shù)修改為給定基板參數(shù)運行窗口如圖3-8所示： 圖3-8 Linecalc計算微帶線尺寸 由此得到各耦合段的物理尺寸，如下表所示：（mm） CL1 CL2 CL3 CL4 W 0.279 0.399 0.420 0.422 S 0.135 0.307 0.389 0.401 L 3.040 2.950 2.940 2.936 表3-2 各節(jié)物理尺寸數(shù)值 3.4.4 HFSS原理圖繪制與仿真 依據(jù)所得尺寸，在 HFSS中繪制出所求濾波器的模型，并設(shè)置相應(yīng)的邊界條件和掃

45、頻設(shè)置，進(jìn)行原理圖仿真。其原理圖如圖3-9所示： 圖3-9 微帶帶通濾波器HFSS原理圖 仿真結(jié)果如圖3-10所示： 圖3-10 微帶帶通濾波器HFSS仿真結(jié)果 由圖可以看出，中心頻率出現(xiàn)了明顯的偏移現(xiàn)象。這是因為在設(shè)計平行耦合微帶帶通濾波器時沒有考慮邊緣場效應(yīng)的影響。為此，需要對目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。 3.4.5 ADS原理圖繪制與仿真 依據(jù)所得尺寸，在ADS中繪制出所求濾波器的模型，并設(shè)置相應(yīng)的邊界條件和掃頻設(shè)置，其原理圖如圖3-11所示： 圖3-11 微帶帶通濾波器ADS原理圖 依據(jù)原理圖生成的版圖如圖3-12所示： 圖3-12 微帶帶通濾波器ADS版圖 仿真結(jié)果

46、如圖3-13所示： 圖3-13 微帶帶通濾波器ADS仿真結(jié)果 由圖可以看出，中心頻率出現(xiàn)了明顯的偏移現(xiàn)象。這是因為在設(shè)計平行耦合微帶帶通濾波器時沒有考慮邊緣場效應(yīng)的影響。為此，需要對目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。 3.5 微帶帶通濾波器的優(yōu)化 本文將分別討論HFSS和ADS的優(yōu)化方法。 3.5.1 對HFSS結(jié)果的優(yōu)化 這種方法的思想是，既然不考慮邊緣場效應(yīng)時得到的中心頻率會低于設(shè)計頻率, 那么提高設(shè)計頻率, 使得到的結(jié)果剛好位于本來的設(shè)計頻率上。由此方法得到的中心頻率為 8.4423GHz。由此得到的微帶帶通濾波器的物理尺寸如表3-3所示：（mm） CL1 CL2 CL3

47、 CL4 W 0.270 0.391 0.414 0.416 S 0.129 0.282 0.361 0.371 L 3.251 3.160 3.141 3.139 表3-3 各節(jié)物理尺寸數(shù)值 依據(jù)所得尺寸在HFSS中重新設(shè)計原理圖并進(jìn)行仿真。其原理圖如圖3-14所示： 圖3-14 微帶帶通濾波器HFSS優(yōu)化原理圖 仿真結(jié)果如圖3-15所示： 圖3-15 微帶帶通濾波器HFSS優(yōu)化仿真結(jié)果 由仿真結(jié)果可知，達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。 3.5.2 對ADS結(jié)果的優(yōu)化 在本文中，先用ADS建立圖3-11的原理圖模型，以圖3-13為優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化介質(zhì)板的厚

48、度和介電常數(shù)，再依據(jù)給定的指標(biāo)優(yōu)化微帶帶通濾波器的物理尺寸。將此時的物理尺寸和原有的基板參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化就可以得到所得結(jié)果。 ADS原理圖如圖3-16所示： 圖3-16 微帶帶通濾波器ADS優(yōu)化原理圖 此時的微帶帶通濾波器物理尺寸如表3-4所示：（mm） CL1 CL2 CL3 CL4 W 0.117 0.238 0.458 0.305 S 0.183 0.278 0.313 0.368 L 3.673 2.853 3.560 2.808 表3-4 各節(jié)物理尺寸數(shù)值 依據(jù)原理圖所生成的版圖如圖3-17所示： 圖3-17 微帶帶通

49、濾波器ADS優(yōu)化版圖 仿真結(jié)果如圖3-18所示： 圖3-18 微帶帶通濾波器ADS優(yōu)化仿真結(jié)果 由仿真結(jié)果可知，達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。 對比HFSS和ADS的仿真結(jié)果，可以看出由兩種軟件分別設(shè)計的微帶帶通濾波器能夠順利實現(xiàn)，并且重要參數(shù)能夠較好的控制在所要求的范圍內(nèi)。 結(jié)束語 本文設(shè)計的是微帶帶通濾波器，使用HFSS和ADS分別進(jìn)行設(shè)計、仿真和優(yōu)化，并對兩種軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。使所設(shè)計的濾波 器在通帶衰減、波紋和阻帶衰減這些重要參數(shù)上達(dá)到要求。此次設(shè)計中主要是做了以下內(nèi)容： 1. 收集并閱讀資料，了解微帶濾波器的

50、理論知識，并在用軟件設(shè)計之前計算出濾波器的階數(shù)、微帶線的奇歐模特性阻抗和各節(jié)尺寸。 2. 熟悉HFSS及ADS的使用，了解模型設(shè)計、邊界條件、掃頻設(shè)計等相關(guān)知識。 3. 查閱相關(guān)文獻(xiàn)及請教老師和同學(xué)解決微帶帶通濾波器中心頻率偏移的現(xiàn)象。 盡管設(shè)計出了所要求的濾波器，并且達(dá)到了所要求的參數(shù)范圍，但是學(xué)無止境，還有其他類型的濾波器等待我們?nèi)チ私?、探索。我們在以后的學(xué)習(xí)中會進(jìn)行更加深入的學(xué)習(xí)。 致 謝 在這次科研訓(xùn)練的過程中，錢老師給了我們很大的幫助。抽出了很多寶貴的時間來督促我們的工作，解答我們的疑惑。錢老師并不是簡單地告訴我們怎么做，而是指給我們方向，讓我們自己探索。這給了我們

51、很大的收獲。在此向錢老師表達(dá)深深地感謝！ 感謝小組成員的團(tuán)結(jié)一致，互幫互助。沒有團(tuán)隊的合作就沒有這篇文章的誕生。 參考文獻(xiàn) [1]Reinhold Ludwing,Gene Bogdanov著；王子宇，王心悅等譯.射頻電路設(shè)計——理論與應(yīng)用（第二版）. 北京：電子工業(yè)出版社，2013 [2] JIA-SHENG HONG，M. J. LANCASTER. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. John Wiley & Sons, Inc，2001 [3]李明洋.HFSS電磁仿真設(shè)計應(yīng)用詳解. 北京：人民郵電出版社，2010 [4] 甘后樂，樓東武. 平行耦合微帶線帶通濾波器的多步法優(yōu)化設(shè)計. 微波學(xué)報，第21卷，第6期，2005