集总参数带通滤波器

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1、课程设计W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；瞬时仿真任务书利用 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 140M

2、Hz 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50 Q。目录引言 - 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

3、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

4、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 波器的设计方案，同时给出其仿真结果。- 1 -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f【Open Project】,弹出【Open Project】对话框， 【0pen ProjectL(2) 在【Open Proj

5、ect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untitledl，在未 命名的原理图untitled上，选择菜单【File】f【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_Bandpassl，单击保存， 将原理图命名为Filter_Bandpassl。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_Bandpassl中，选择【DesignGuide】菜单

6、f【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 Desig nGuide】窗口中，单击工具栏中的按钮【Compo nent Palette-All】, 在Filter_Bandpassl原理图中出现【Filter DG-All】列表下的元器件面板，【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

7、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。DA_LCBandpassD T_el 1_1DA_LCBandpassDT1 -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_Ba

8、ndpass1 原理图中现在出现了快捷元器件DA_LCBandpassDTI，设计向导就是用来设计原理图中的快 捷元器件DA_LCBandpassDTI,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16

9、0MHz。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

10、斯带通滤波器。关闭【Filter DesignGuide】 窗口。(7)现在原理图中的DA_LCBandpassDTI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 an dpassDT1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。Een 卿F 加 Des Hr- AK耳口加c ClJ ARgrt P1 JiMnpiL=37 5T2$5j8.rHR=1Tr yV-1.5.mm . L=1 一斗 mm01

11、 C=2.&44.pF1/1 _.INTL4 Sutst=RMSub1,. W-1,5rnrn. L=1.4 mm图10原理图中电感和电容的串联电路（4）搭建原理图中电感和电容的并联电路在微带线元器件面板上，选择Mcurve插入到原理图的画图区，共插入4个 Mcurve。双击画图区的Mcurve，将它们的数值都设置为W=1.5mm、Angle=90、 Radius=2.5mm。在微带线元器件面板上，选择MTEE插入到原理图的画图区，共插入2个 MTEE。双击画图区的MTEE，在弹出的设置窗口中设置W1=1.5mm、W2=1.5mm 和W3=1.5mm。在工具栏中单击 按钮，将地线（GROUND

12、）插入到原理图，让 一个 MTEE接地。在集总参数元器件面板上,分别选择电感L和电容C插入到原理图的画图区。 分别双击画图区的电感L和电容C，打开电感L和电容C的设置对话框，将电感L和电容C的数值分别设置为L=3.555nH和C=318.058pF。单击工具栏中的 按钮，将前面的电感、电容、T型结与微带线连接起来, 连接方式如图11所示。MCUFE Curves eubst=MSufcT W=1.5mm . Angle=9O . Rs di u s=2.5 mir*LL=3.555-R=.閘:EEJVDG.7ee23ubsf = M3ubr-W1.5mm -W；=1.5 mm.W.2-1.5

13、mmMCJRE Curve4 SubstMSubl W=1.5inrn .AngleQ .Racius=2.5 mm.J c . C2 318.058 pFMCURYE， Cuiva2 Subst=MSutr- W-1.5mm .Angl&=9DRadius=2.5 mirI4TE i Tee3 -SubMSubr.W1=.1.5.rrim .W2=1.5 mrriW3=1.5 mmMCI IRE. CuvelSUtJStMSUDI W=1 5 miii Angle-9D- Radius=2：5 mm图11原理图中电感和电容的并联电路（5）搭建带通滤波器的原理图复制一次图10,将图10的电路连

14、接在图9电路的两边。将图11的电路连接在图9电路的下边。这时原理图如图12所示，这是带通滤波器的原理图。JUl- irilR Jhb WhhbLl.4-Nrimi邸.IJig.-!： SripFrir 百 f lL-l.4-in -11TKhDCmhx.Lr4 m .g W! I EiF . 和Ha pW-riE丫%计畋ijferrECiMJL+?. W* W 谗I TCSVrt Tyr-Eijm iUF-i：- an K*M4TUCucyr 并 T Gjni -K= J Emiv m图12带通滤波器原理图(6) 带有终端负载的带通滤波器原理图选择S参数仿真元器件面板，在元器件面板上选择负载终

15、端Term,两次插 入到原理图中，定义负载终端Terml为输入端口，负载终端Term2为输出端口。 在原理图工具栏中单击按钮，将地线(GROUND)两次插入原理图，让负载终 端Term接地。单击工具栏中的按钮,将原理图中的两个负载终端Term和带通滤波器连接起来, 连接方式如图13所示。图13带有终端负载的带通滤波器原理图3 原理图仿真与优化在仿真之前，首先设置S参数仿真控件SP, SP对原理图中的仿真参量给出 取值范围，当S参数仿真控件SP确定后，就可以仿真了。(1) 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SP设置如下。频率扫描类型选为线性L

16、in ear。频率扫描的起始值设为0MHz。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】按钮，完成对S参数仿真控件的设置, 现在S参数仿真控件如图14所示。(2) 现在可以对带通滤波器的原理图仿真了。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。(3) 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。S

17、21曲线如图15所示。比较图15与图7可以看出，在原理图中添加微带线后, S21曲线发生很大变化。单击工具栏中的保存按钮，保存数据。攣.S-PARAHETEHSS_Pararri -S P2 . S tarts MHz .StOFMMHz tep=fO MHz(uz)cn)OQp-120图14带通滤波器的S参数仿真控件*80100a1001502DO25Ufreq, MHz图15带通滤波器数据显示（4）图15与图7的曲线有差异，需要调整原理图。下面采用优化来改变电感和 电容的取值，以期达到合格的曲线。在优化与仿真之前，首先需要设置原理图中 电容和电感的优化取值范围，然后再添加优化控件和目标控件

18、，当设置完优化控 件和目标控件后，就可以仿真了。（5） 设置原理图中电感L1的优化取值范围。双击原理图中的电感L1，弹出 【Inductor】窗口，在窗口中单击【Tune/Opt/Stat/DOE Setup】按钮,打开【Setup】设置窗口，在【Setup】窗口中设置如下。选择【优化Optimization】按钮。在 Optimization Status 栏选择 Enabled。在 Type 栏选择 Continuous。在 Format 栏选择 min/max。在 Minimum Value 栏填入 100nH。在 Maximum Value 栏填入 800nH。单击两次OK完成【Set

19、up】和【ductor】窗口的设置。完成设置的【Inductor】 和【Setup】窗口如图16所示。葺：I吋on MlIrag Jhev inq专Esri arLcipl) E閔 gfc TrtfcfciiiirL = KT.a?l N4 api| Loa N4 g 300 aH -R:*fampligm:TCt-TC2-lrCcd=-hJJMiFciiF ir wir EfIff 7 ritfrdifJ:|MIL豪ialim llitsrfit y -UU*JiClI 百 El 曙.IZl EUiqaf erbmw cri cchalaGfisuriil flf CLEKL,.L EhJd

20、iCEaC +Mt| CimiI| li.tMg(b)设置电感优化取值范围(a)电感设置初始窗口图16设置原理图中电感L1的优化取值范围(6) 设置原理图中电容C1的优化取值范围。双击原理图中的电容C1，弹出 【Capacitor】窗口，在窗口中单击【Tune/Opt/Stat/DOE Setup】按钮，打开【Setup】设置窗口，在【Setup】窗口中设置如下。选择【优化Optimization】按钮。在 Optimization Status 栏选择 Enabled。在 Type 栏选择 Continuous。在 Format 栏选择 min/max。在 Minimum Value 栏填入

21、 0.5pF。在 Maximum Value 栏填入 8pF。单击两次【OK】按钮完成【Setup】和【Capacitor】窗口的设置。完成设置的【Capacitor】 和【Setup】窗口如图17所示。(7) 用同样的方法设置原理图中电感L2、电感L3、电容C2和电容C3的优化取 值范围，优化取值范围选为。电感 L2 在 Minimum Value 栏填入 2nH，在 Maximum Value 栏填入 6nH。 电容 C2 在 Minimum Value 栏填入 80pF，在 Maximum Value 栏填入 800pF。 电感 L3 在 Minimum Value 栏填入 100nH，

22、在 Maximum Value 栏填入 800nH。电容 C3 在 Minimum Value 栏填入 0.5pF，在 Maximum Value 栏填入 8pF。电容设置初始窗口(b)设置电容优化取值范围图17设置原理图中电容C1的优化取值范围(8)在原理图的元器件面板列表上，选择优化元器件【0ptim/Stat /DOE】项,元器件面板上出现与【0ptim/stat /DOE】对应的元器件图标。在元器件面板上， 选择优化控件Optim插入到原理图的画图区，并选择目标控件Goal插入到原理 图的画图区，共插入3个目标控件Goal。（9）双击画图区的优化控件Optim,打开【Nominal O

23、ptimization】窗口，在【Nominal Optimizatio n】窗口中设置优化控件，设置优化控件的步骤如下。选择随机Random优化方式。优化次数选择50次。其余的选项保持默认状态。设置完成的【Nominal Optimization】窗口如图18所示。图18设置优化控件（10）下面设置目标控件Goal1。双击目标控件1,设置如下。 选择Expr为dB2,1）。选择目标控件的期望值为用dB表示的S21。 选择Min为-3。期望值S21的最小值为-3dB。选择RangeVar1 为freq。变量选为频率。选择RangeMin 1为140MHz。频率的最小值选为140MHz。选择Ra

24、ngeMax1 为160MHz。频率的最小大选为160MHz。其余的选项保持默认状态。（11）用同样的方法设置目标控件2和目标控件3。目标控件2的设置如下。选择Expr为dB2,1）。选择目标控件的期望值为用dB表示的S21。 选择Max为-30。期望值S21的最大值为-30dB。选择RangeVar1 为freq。变量选为频率。选择RangeMin1为98MHz。频率的最小值选为98MHz。选择RangeMax1 为100MHz。频率的最大值选为100MHz。 其余的选项保持默认状态。目标控件3的设置如下。选择Expr为dB2,1）。选择目标控件的期望值为用dB表示的S21。选择Max为-3

25、0。期望值S21的最大值为-30dB。选择RangeVar1 为freq。变量选为频率。选择RangeMin 1为200MHz。频率的最小值选为200MHz。选择RangeMax1 为202MHz。频率的最大值选为202MHz。 其余的选项保持默认状态。原理图中设置完成的优化控件Optim和目标控件Goal如图19所示。Gill.Simhi.WR0E.U.应ML CpdrnOo 沁-LaAI-ScsJ-? ps - - -aiE&.lff曲阳廖.1疔 30 . 5!：nnli*ten-a-FXi-rA-aSRI . S4.-h!-lnrat-hrwv,SFi7CiirtErari!. . EM

26、iWeCOTiWh 丹树E 兆幼匚MStiii.Kdk-4SjiArTiuk-r-台riilA：点金SiiEisfiJbruestiSkS-弓HjSiMr片 yCtSa hcQc.&!*Ct1rwra.WLpdalfrZ&tiailHB 岳 區 Ptariia=7D匚曲61旳2芦图19设置完成的优化控件和目标控件（12）现在原理图如图20所示。”* .S-fiO-i.-UT ATvIAOTlJ.-i爭勺申 . itniZu-a 3U- 3M-iL “T1 ifjM!L3Sra . bKi 5va-cdc a-图20用于优化的带通滤波器原理图（13 ）现在可以对图20所示的原理图仿真了。在原理图

27、工具栏中单击仿真Simulate】图标，运行仿真，仿真过程中弹出了仿真状态窗口，记录了频率扫描范围、变量取值和仿真花费的时间等。仿真结束后，选择【Simulate】菜单一【U pdate Optimization Values】命令，将优化后的电感和电容值保存在原理图中， 优化后的电感和电容值如下。L1=201.489nH 和 C1=4.692 46pF。L2=4.984 06nH 和 C2=105.544pF。L3=218.685nH 和 C3=4.231 31pF。（14 ）仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。在数据显示视窗用矩形图表示S21 曲线，矩形图横轴为频率范围，纵轴是用分贝（dB）

28、表示的S21。单击工具栏中 的按钮，在曲线100MHz、140MHz、160MHz和200MHz处各插入个标记，插入 标记的S21曲线如图21所示。7n1iOG.OMHz13(5(2.1 b*-33.7DO gu ter= 17m3 rreq-tWOMHz B(S(2.H2 398weq 200.0 MHz dB(S(2,nr-30133haq him/图21带通滤波器原理图优化数据由图21可以看出，S21曲线在100MHz、140MHz、160MHz和200MHz处的值如下。在 100MHz 处，在 140MHz 处，在 160MHz 处，在 200MHz 处，S21 的值为-33.700dB。S21 的值为-0.688dB。S21 的值为-2.398dB。S21 的值为-30.133dB。以上数据满足技术指标。参考文献1ADS射频电路设计基础与典型应用M人民邮电出版社2射频/微波电路导论E西安电子科技大学出版社ADS2011射频电路设计与仿真实例M 电子工业出版社