1、實驗一 微波濾波器的設計 制作與調試 （一）實驗目的 n了解微波濾波電路的原理及設計方法。 n學習使用ADS軟件進行微波電路的設計， 優化，仿真。 n掌握微帶濾波器的制作及調試方法。 （二）實驗內容 n使用ADS軟件設計一個微帶帶通濾波器， 并對其參數進行優化、仿真。 n根據軟件設計的結果繪制電路版圖，并 加工成電路板。 n對加工好的電路進行調試，使其滿足設 計要求。 （三）微帶濾波器的技術指標 n通帶邊界頻率與通帶內衰減、起伏 n阻帶邊界頻率與阻帶衰減 n通帶的輸入電壓駐波比 n通帶內相移與群時延 n寄生通帶 （三）微帶濾波器的技術指標（續） n前兩項是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術指標

2、， 決定了濾波器的性能和種類(高通、低通、帶通、帶 阻等)。 n輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小。 n群時延是指網絡的相移隨頻率的變化率，定義為 d/df ，群時延為常數時，信號通過網絡才不會產 生相位失真。 n寄生通帶是由于分布參數傳輸線的周期性頻率特性引 起的 ，它是離設計通帶一定距離處又出現的通帶， 設計時要避免阻帶內出現寄生通帶。 （四）ADS軟件的使用軟件的使用 n本節內容是介紹使用ADS軟件設計微帶 帶通濾波器的方法：包括原理圖繪制， 電路參數的優化、仿真，版圖的仿真等。 n下面開始按順序詳細介紹ADS軟件的使 用方法。 ADS軟件的啟動軟件的啟動 n啟動ADS進入如下界

3、面 創建新的工程文件 n點擊File-New Project設置工程文件名 稱（本例中為Filter）及存儲路徑 n點擊Length Unit設置長度單位為毫米 創建新的工程文件（續） n工程文件創建完畢后主窗口變為下圖 創建新的工程文件（續） n同時原理圖設計窗口打開 微帶濾波器的設計 n平行耦合線帶通濾波器的設計 n下圖是一個微帶帶通濾波器及其等效電路，它由平行的 耦合線節相連組成，并且是左右對稱的，每一個耦合線 節長度約為四分之一波長(對中心頻率而言)，構成諧振 電路。我們以這種結構的濾波器為例，介紹一下設計的 過程。 等效電路 微帶濾波器的設計（續） n設計指標：通帶3.03.1GHz

4、，帶內衰減小于2dB，起 伏小于1dB，2.8GHz以下及3.3GHz以上衰減大于40dB， 端口反射系數小于-20dB。 n在進行設計時，主要是以濾波器的S參數作為優化目標 進行優化仿真。S21(S12)是傳輸參數，濾波器通帶、阻 帶的位置以及衰減、起伏全都表現在S21(S12)隨頻率變 化曲線的形狀上。S11(S22)參數是輸入、輸出端口的反 射系數，由它可以換算出輸入、輸出端的電壓駐波比。 如果反射系數過大，就會導致反射損耗增大，并且影 響系統的前后級匹配，使系統性能下降。 生成濾波器的原理圖 n在原理圖設計窗口中選擇微帶電路的工具 欄 n窗口左側的工具欄變為右圖所示 n在工具欄中點擊選

5、擇耦合線Mcfil 并在右側的繪圖區放置 n選擇微帶線MLIN 以及控件 MSUB 分別放置在繪圖區中 n選擇畫線工具 將電路連接好， 連接方式見下頁圖 生成濾波器的原理圖（續） 設置微帶電路的基本參數 n上頁圖中五個Mcfil表示濾波器的五個耦合線節，兩 個MLIN表示濾波器兩端的引出線 n雙擊圖上的控件MSUB設置微帶線參數 nH:基板厚度(0.8 mm) nEr:基板相對介電常數(4.3) nMur:磁導率(1) nCond:金屬電導率(5.88E+7) nHu:封裝高度(1.0e+33 mm) nT:金屬層厚度(0.03 mm) nTanD:損耗角正切(1e-4) nRoungh:表面

6、粗糙度(0 mm) 設置微帶電路的基本參數（續） 17 微帶線計算工具 n濾波器兩邊的引出線是特性阻抗為50歐姆的微帶線，它的寬 度W可由微帶線計算工具得到，具體方法是點擊菜單欄Tools - LineCalc - Start Linecalc，出現一個新的窗口(如下頁圖)。 n在窗口的Substrate Parameters欄中填入與MSUB中相同的微帶線參數。 n在Cpmpnet Parameters填入中心頻率(本例中為3.05GHz)。 nPhysical欄中的W和L分別表示微帶線的寬和長。 nElectrical欄中的Z0和E_Eff分別表示微帶線的特性阻抗和相位延遲。 n點擊Syn

7、thesize和Analyze欄中的 箭頭，可以進行W、L與Z0、 E_Eff間的相互換算。 n填入50 Ohm和90 deg可以算出微帶線的線寬1.52 mm和長度 13.63 mm(四分之一波長)。 微帶線計算工具（續） 微帶線計算工具（續） n另外打開的一個窗口顯示當前運算狀態以及錯 誤信息。 設置微帶器件的參數 n雙擊兩邊的引出線TL1、TL2，分別將其寬與長設為1.52 mm和2.5 mm(其中線長只是暫定，以后制作版圖時還會修 改)。 n平行耦合線濾波器的結構是對稱的，所以五個耦合線節中， 第1、5及2、4節微帶線長L、寬W和縫隙S的尺寸是相同的。 耦合線的這些參數是濾波器設計和優

8、化的主要參數，因此 要用變量代替，便于后面修改和優化。 n雙擊每個耦合線節設置參數，W、S、L分別設為相應的變 量，單位mm，其中的W1與W2參數代表該器件左右相鄰兩 側的微帶器件的線寬，它們用來確定器件間的位置關系。 在設置W1、W2時，為了讓它們顯示在原理圖上，要把 Display parameter on schematic的選項勾上。 耦合線節參數設置窗口 設置微帶器件參數后的原理圖 添加變量 n單擊工具欄上的VAR 圖標，把變量控件VAR放置 在原理圖上，雙擊該圖標彈出變量設置窗口，依次 添加各耦合線節的W，L，S參數。 n在name欄中填變量名稱，Variable Value欄中填

9、變量 的初值，點擊Add添加變量，然后單擊 Optimization/Statistics Setup按鈕設置變量的取值 范圍，其中的Enabled/Disabled表示該變量是否能被 優化（見下頁圖）。 n耦合線節的長L約為四分之一波長(根據中心頻率用微 帶線計算工具算出)，微帶線和縫隙的寬度最窄只能 取0.2 mm(最好取0.5 mm以上)。 變量設置窗口 S參數仿真電路設置 n在原理圖設計窗口中選擇S參數仿真的工具欄 n選擇Term 放置在濾波器兩邊，用來定義端 口1和2，點擊 圖標，放置兩個地，并按照 下頁圖連接好電路。 n選擇S參數掃描控件 放置在原理圖中，并設 置掃描的頻率范圍和步

10、長，頻率范圍根據濾波 器的指標確定(要包含通帶和阻帶的頻率范圍)。 S參數仿真電路設置（續） 優化目標的設置 n在原理圖設計窗口中選擇優化 工具欄 n選擇優化設置控件 放置在原 理圖中，雙擊該控件設置優化 方法及優化次數。 n常用的優化方法有Random(隨機)、 Gradient(梯度)等。 n隨機法通常用于大范圍搜索，梯 度法則用于局部收斂 n選擇優化目標控件Goal 放置在原理圖中，雙 擊該控件設置其參數。 nExpr是優化目標名稱，其中dB(S(2,1)表示以dB為單位 的S21參數的值。 nSimlnstanceName是仿真控件名稱，這里選擇SP1 nMin和Max是優化目標的最小

11、與最大值。 nWeight是指優化目標的權重。 nRangeVar1是優化目標所依賴的變量，這里為頻率 freq。 nRangeMin1和RangeMax1是上述變量的變化范圍。 優化目標的設置（續） 優化目標的設置（續） n這里總共設置了四個優化目標，前三個的優化 參數都是S21，用來設定濾波器的通帶和阻帶的 頻率范圍及衰減情況(這里要求通帶衰減小于2 dB，阻帶衰減大于40 dB)，最后一個的優化參 數是S11，用來設定通帶內的反射系數(這里要 求小于 -20 dB)，具體數值見下頁圖。 n由于原理圖仿真和實際情況會有一定的偏差， 在設定優化參數時，可以適當增加通帶寬度。 對于其它的參數，

12、也可以根據優化的結果進行 一定的調整。 優化目標的設置（續） 進行參數優化 n設置完優化目標后最好先把原理圖存儲一下，然后就可 以進行參數優化了。 n點擊工具欄中的Simulate 按鈕就開始進行優化仿真 了。在優化過程中會打開一個狀態窗口顯示優化的結果 (見下頁圖)，其中的CurrentEF表示與優化目標的偏差， 數值越小表示越接近優化目標，0表示達到了優化目標， 下面還列出了各優化變量的值，當優化結束時還會打開 圖形顯示窗口。 n在一次優化完成后，要點擊原理圖窗口菜單中的 Simulate - Update Optimization Values保存優化后的 變量值(在VAR控件上可以看到

13、變量的當前值)，否則優化 后的值將不保存。 進行參數優化（續） n經過數次優化后，CurrentEf的值為0，即為優化 結束。優化過程中根據情況可能會對優化目標、 優化變量的取值范圍、優化方法及次數進行適當 的調整。 觀察仿真曲線 n優化完成后必須關掉優化控件，才能觀察仿真的曲線。 方法是點擊原理圖工具欄中的 按鈕，然后點擊優 化控件OPTIM，則控件上打了紅叉表示已經被關掉。 n要想使控件重新開啟，只需點擊工具欄中的 按鈕， 然后點擊要開啟的控件，則控件上的紅叉消失，功能 也重新恢復了。 n對于原理圖上其他的部件，如果想使其關 閉或開啟，也可以采取同樣的方法。 關閉優化控件后的原理圖 觀察仿

14、真曲線 n點擊工具欄中的Simulate 按鈕進行仿真，仿真結束后 會出現圖形顯示窗口。 觀察仿真曲線（續） n點擊圖形顯示窗口左側工具欄中的 按鈕，放置一個方 框到圖形窗口中，這時會彈出一個設置窗口(見下頁圖)， 在窗口左側的列表里選擇S(1,1)即S11參數，點擊Add按鈕 會彈出一個窗口設置單位(這里選擇dB)，點擊兩次OK后， 圖形窗口中顯示出S11隨頻率變化的曲線。 n用同樣的方法依次加入S22，S21，S12的曲線，由于濾波 器的對稱結構，S11與S22，以及S21與S12曲線是相同的。 n為了準確讀出曲線上的值，可以添加Marker，方法是點擊 菜單中的Marker - New，

15、出現Instert Marker的窗口，接 著點擊要添加Marker的曲線，曲線上出現一個倒三角標志， 點擊拖動此標志，可以看到曲線上各點的數值。 選擇仿真曲線參數及其單位 觀察仿真曲線 觀察仿真曲線（續） n觀察S11(S22)和S21 (S12)曲線是否滿足指標要求 (包括優化目標中未設定的帶內起伏小于1dB的要 求)，如果已經達到指標要求，就可以進行版圖 的仿真了。 n版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算， 其結果比在原理圖中仿真要準確，但是它的計算 比較復雜，需要較長的時間，在此作為對原理圖 設計的驗證。所以在版圖仿真前要看一下相鄰各 耦合線節的微帶線寬是否相差過大，如果相差過

16、大就會造成原理圖和版圖仿真有較大的差別，這 就需要改變變量初值重新進行優化。 版圖的仿真 n首先要由原理圖生成版圖，生成版圖前先要把原理圖 中用于S參數仿真的兩個Term以及接地去掉，不讓他們 出現在生成的原理圖中。去掉的方法與前面關掉優化 控件的相同，都是使用 按鈕，把這些元件打上紅 叉(見下頁圖)。 n然后點擊菜單中的Layout - Generate/Update Layout， 彈出一個設置窗口，直接點OK，又出現一個窗口，再 點OK，完成版圖的生成，這時會打開一個顯示版圖的 窗口，里面有剛生成的版圖(見后面幾頁的圖) 。 用于生成版圖的原理圖 生成版圖的設置窗口 版圖仿真的窗口 版圖

17、的仿真 n版圖生成后先要設置微帶電路的基本參數(即原理圖中 MSUB里的參數)，方法是點擊版圖窗口菜單中的 Momentum - Substrate - Update From Schematic從 原理圖中獲得這些參數，點擊Momentum - Substrate - Create/Modify可 以修改這些參數。 版圖的仿真（續） n為了進行S參數仿真還要在濾波器兩側添加兩個端口，做 法是點擊工具欄上的Port 按鈕，彈出port設置窗口， 點擊OK關閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別 點擊加上兩個port，將版圖放大后可以看到兩個端口(見 下圖中的P1、P2)。 版圖的仿真（續）

18、n點擊Momentum - Simulation - S-parameter彈出仿真 設置窗口，該窗口右側的Sweep Type選擇Adaptive，起止 頻率設為與原理圖中相同，采樣點數限制取10 (因為仿真 很慢，所以點數不要取得太多)。然后點擊Update按鈕， 將設置填入左側列表中，點擊Simulate按鈕開始進行仿真。 仿真過程中會出現一個狀態窗口顯示仿真進程(見下頁圖)。 n仿真運算要進行數分鐘，仿真結束后將出現曲線顯示窗口， 觀察S11和S21曲線，性能有不同程度的惡化，此處要求S21 在通帶內衰減小于2.5dB，起伏小于1dB，阻帶衰減大于40 dB。S11在通帶內最好小于-1

19、5dB。 版圖仿真設置窗口以及狀態窗口 版圖仿真的曲線 版圖的仿真 n如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標要求，那么要 重新回到原理圖窗口進行優化仿真，產生這種情況 的原因是相鄰耦合線節間的線寬相差過大或者其它 的參數取值不合適，可以改變優化變量的初值，也 可根據曲線與指標的差別情況適當調整優化目標的 參數，重新進行優化。 n在返回原理圖重新優化時，要先使剛才打上紅叉的 部件恢復有效，然后才能進行優化，之后重復前面 所述的過程，直到版圖仿真的結果達到要求為止。 其他參數 n在進行原理圖仿真時，還可以看到濾波器的群時延以 及輸入的電壓駐波比等參數。雙擊S參數控件，在其 設置窗口的Parameters

20、選項卡中勾上Group delay選 項，就會在仿真時計算群時延。把左側工具欄設為 ，并把VSWR 控件放置 在原理圖中，即可計算輸入駐波比。 n要觀察這兩個參數的曲線，只需在仿真后出現的圖形 顯示窗口中添加delay(2,1)及VSWR的曲線即可。 n在優化完成后，還可以把S參數仿真的頻率范圍加大， 看看濾波器的生寄通帶出現在什么頻率上。 ADS使用小結 n以上介紹了使用ADS進行微帶電路設計的一些 基本方法，在實際使用軟件時還會遇到各種具 體的問題，多看Help是最好的解決方法。 n在優化仿真過程中，要明確物理概念，避免無 意義的工作。 nADS軟件的功能十分強大，應用很廣，這里我 們只介紹了其中很少的一部分，如果對其他功 能感興