ADS滤波器设计

ADS滤波器设计

实验一

设计一个满足如下条件的耦合微带线带通滤波器：

中心频率f0:2.45GHz，上下边频与中心频率的差值△ f：±50MHz，当f=f0时，li≤-1.5dB；当f=f0±300MHz时，li≥-30dB，微带线介质层厚度h：1mm；介质层介电常数：2.65，输入输出阻抗Zin，Zout均为：50Ω。

要求 1、提供设计原理（即耦合微带线滤波器的设计原理）

2、具体的设计过程（用ADS软件分别仿真原理级电路和Layout 板级电路）

3、提供两种电路的仿真结果并比较（S11 和 S21）

4、设计结果的分析与误差解释

5、提供一个包含上述 1-4 要求的 word 文档，并提供 ADS 的耦合微带滤波器设计源文件

滤波器是用来分离不同频率信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器，只让需要的信号通过。在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重要的意义。微带电路具有体积小，重量轻、频带宽等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应用之一。平行耦合微带线带通滤波器在微波集成电路中是被广为应用的带通滤波器。

一、设计原理：

耦合微带线：当两个无屏蔽的传输线紧靠一起时，由于传输线之间电磁场的相互作用，在传输线之间会有功率耦合，这种传输线称之为耦合传输线。根据传输线理论，每条单独的微带线都等价为小段串联电感和小段并联电容。每条微带线的特性阻抗为Z0，相互耦合的部分长度为L，微带线的宽度为W，微带线之间的距离为S，偶模特性阻抗为Z e，奇模特性阻抗为Z0。

级连耦合微带线：由于单个耦合微带线滤波器不能提供良好的滤波器响应及陡峭的通带-阻带过渡。然而可以通过级连这些基本单元最终得到高性能的滤波器，如图1

图1

集总参数滤波器设计：先计算带通滤波器归一化频率Ω=f0

fℎ−fl ·(f

f0

+f0

f

),这样就把带通滤波

器设计问题转化为低通滤波器设计问题（都是在归一化频率下进行设计），根据需要选择滤波器种类和阶数，查表可得归一化参数g0,g1,g2……gN,gN+1.

将集总参数滤波器转化为耦合微带线滤波器：

1、先根据上下边频fl和fh,以及中心频率f0=(fl+fh)/2,确定滤波器带宽：BW=(fh-fl)/f0

2、根据带宽指标计算下列参数：

3、利用上述参数计算耦合微带线奇模偶模特性阻抗

Z0o丨i,i+1 = Z0[1-Z0Ji,i+1 + (Z0 Ji,i+1)²]

Z0e丨i,i+1 = Z0[1+Z0Ji,i+1 + (Z0 Ji,i+1)²]

4、计算完奇模偶模特征阻抗后利用ADS的微带线计算器即可计算出微带线几何尺寸W,S,L。

二、具体设计过程

参数选取：

设计要求f=f0时，li<-1.5dB,所以可采用0.5dB波纹的切比雪夫滤波器

带通滤波器归一化频率Ω=f0

fℎ−fl ·(f

f0

+f0

f

),其中f0=2.45Ghz，fh=2.5Ghz，fl=2.4Ghz

设计要求当f=f0±300Mhz，即f=2.75Ghz和f=2.15Ghz时，li≥-30dB；f=2.75Ghz时，|Ω|=5.67，f=2.15Ghz时，|Ω|=6.42，查表可知N=3满足条件。

N=3时，g1=1.5963,g2=1.0967,g3=1.5963,g4=1.0000，BW=(hf-fl)/f0=0.041.

计算耦合微带线滤波器参数：

代入奇模偶模特性阻抗公式，可得下表：

三、仿真结果比较

原理图如下：

调整参数后，原理图级最终仿真结果为：

原理图级仿真结果

Layout图如下：

将原理图级转化为layout级后，直接仿真的仿真结果（不满足设计要求）：

未调整参数的Layout级仿真结果

调整layout参数后的仿真结果（调整后的参数在具体设计过程中已给出）：

调整layout参数后的仿真结果

四、设计结果分析和误差解释：

由集总参数滤波器参数计算出奇模偶模特征阻抗，再计算微带线尺寸W,L,S，直接用该参数仿真会产生较大误差，误差主要来自于：

1、计算滤波器阶数以及切比雪夫原型的元件值图表存在误差。

2、计算奇模偶模特征阻抗数据四舍五入引入误差。

3、理论计算没有考虑基片损耗，但ADS是一个工程软件，设计和仿真时会考虑基片损耗、

外界干扰等因素，使每一节耦合微带线Q值降低，带宽与理论情况不同，这是主要产生误差的因素。

由原理图级转换为版图级后直接仿真，仿真结果出现较大偏差，误差可能来自于：

1、ADS原理图级和版图级元件和基板的仿真模型不同，所以在进行原理图级和原理图级仿

真时，尽可能保证substrate建模精准（介电常数、厚度等）

2、原理图仿真只是平面电路的仿真，而layout仿真是电磁仿真，后者可信度更高一些。