分布参数低通滤波器的仿真

第11章分布参数低通滤波器的仿真

当频率不高时，集总元器件滤波器工作良好，但当频率达到或接近GHz时，滤波器通常由分布参数元器件构成，这是由于两个原因造成的，其一是频率高时电感和电容应选的元器件值过小，由于寄生参数的影响，如此小的电感和电容已经不能再使用集总参数元器件；其二是此时工作波长与滤波器元器件的物理尺寸相近，滤波器元器件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。

本章讨论由分布参数构成的低通滤波器，分布参数低通滤波器可以由阶梯阻抗低通滤波器或短截线低通滤波器实现，本章主要介绍利用ADS软件设计分布参数低通滤波器的方法。本章将首先给出分布参数低通滤波器的理论基础，然后讨论如何利用ADS软件设计、仿真、调谐与优化分布参数低通滤波器，针对微带线阶梯阻抗低通滤波器和短截线低通滤波器，本章将完成符合技术指标的滤波器原理图和布局图。

11.1 微带阶梯阻抗低通滤波器的仿真

阶梯阻抗低通滤波器也称为高低阻抗低通滤波器，它是一种结构简洁的电路，其由很高和很低特性阻抗的传输线段交替排列而成，结构紧凑，便于设计和实现。本节将给出符合技术指标的微带线阶梯阻抗低通滤波器原理图，并由原理图给出阶梯阻抗低通滤波器版图。

11.1.1 微带阶梯阻抗低通滤波器的理论基础

1．短传输线段的近似等效电路

阶梯阻抗低通滤波器是由特性阻抗很高或很低的短传输线段构成，短传输线段的近似等效电路需要讨论。一段特性阻抗为、长度为的传输线的Z矩阵为

一段传输线的网络参量与集总元器件T形网络的网络参量有等效关系，集总元器件T

形网络的构成如图11.1所示。

集总元器件T形网络的Z矩阵为

假定集总元器件T 形网络由电感和电容构成，如图11.2（a ）所示，若假定传输线有大的特性阻抗和短的长度（

），一段短传输线与集总元器件T 形网络的等效关系为

若假定传输线有小的特性阻抗和短的长度（），一段短传输线与集总元器件T

形网络的等效关系为

2Z

i1

1Z

i2

3Z

_

+

+

_

1V

2V

从前面的讨论可以知道，一段特性阻抗很高的传输线可以等效为串联电感，如图11.2（b）所示，而且传输线的特性阻抗越高所需的传输线长度越短；一段特性阻抗很低的传输线可以等效为并联电容，如图11.2（c）所示，而且传输线的特性阻抗越低所需的传输线长度也越短。正是因为上面的原因，等效为电感的传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最大值，等效为电容的传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最小值。设传输线能做到的特性阻抗的最大值和最小值分别为Zh和Zl，等效为串联电感和并联电容所需传输线的长度为

式（11.7）和（11.8）中，和是低通滤波器原型的元器件值，RS是滤波器阻抗。

2．阶梯阻抗低通滤波器的设计

下面设计微带线阶梯阻抗低通滤波器，设计的详细过程可以参阅人民邮电出版社出版的《射频电路理论与设计》。要求截止频率为3GHz，通带内波纹为0.5dB，在6GHz处具有不小于30dB的衰减，系统阻抗为50Ω。选微带线特性阻抗最大值 =120Ω，特性阻抗最小值 =15Ω。设计微带线阶梯阻抗低通滤波器的步骤如下。

（1）根据波纹为0.5dB切比雪夫滤波器衰减随频率的对应关系，滤波器需为5阶，对应的切比雪夫低通滤波器原型元器件值为

（2）利用式（11.7）和（11.8）计算可以得到

（3）低通滤波器电路的示意图如图11.3所示，其中图11.3（a）为由低通滤波器原型元器件值构成的低通滤波器，图11.3（b）为微带线阶梯阻抗低通滤波器。

11.1.2 微带阶梯阻抗低通滤波器原理图的仿真（1）

由上面微带线阶梯阻抗低通滤波器的理论基础，我们得到了微带线阶梯阻抗低通滤波器的电路基本结构，本节学习如何利用ADS微带线的计算工具完成微带线的计算，以及如何设计并仿真微带线阶梯阻抗低通滤波器的原理图。微带线阶梯阻抗低通滤波器的设计指标如下。

滤波器响应为低通滤波器。

滤波器通带频率范围为0GHz到3GHz。

通带内衰减小于1dB。

在6GHz 时衰减大于30dB。

系统特性阻抗选为50Ω。

设计滤波器时，选微带线特性阻抗的最大值为120Ω。

设计滤波器时，选微带线特性阻抗的最小值为15Ω。

微带线基板的厚度选为1mm，基板的相对介电常数选为2.7。

1．创建项目

下面将创建一个分布参数低通滤波器项目，本章所有的设计都将保存在这个项目之中。创建项目的步骤如下。

（1）启动ADS软件，弹出主视窗。

（2）选择主视窗中【File】菜单→【New Project】，弹出【New Project】对话框，在【New Project】对话框中，输入项目名称和这个项目默认的长度单位，这里项目名称定为Microstrip Filter_Lowpass，默认的长度单位选为millimeter。

（3）【New Project】对话框如图11.4所示，单击【New Project】对话框中的【OK】按钮，完成创建分布参数低通滤波器项目。

2．创建原理图

在MicrostripFilter_ Lowpass项目中创建一个阶梯阻抗低通滤波器的原理图，这个原理图命名为Filter_SteppedImpedance1。创建原理图的方法很多，这里创建新原理图的步骤如下。

（1）在主视窗中选择【File】菜单→【New Design】，弹出【New Design】对话框，在【New Design】对话框中，输入新建的原理图名称Filter_SteppedImpedance1，并选择对话框【Create New Design in】项中的New Schematic Window（新建原理图视窗），以及选择【Schematic Design Templates】（原理图设计模板）项中的none，【New Design】对话框如图11.5所示。

（2）单击【New Design】对话框中的【OK】按钮，完成创建原理图，新建的原理图Filter_SteppedImpedance1自动打开。

3．利用ADS微带线的计算工具完成对微带线的计算